《Adv.Sci》钾离子电池：柔性钾离子电池负极学术资讯

来源：材料科学前沿

由于资源储量丰富，能量密度高，钾离子电池成为未来替代锂离子电池的能源存储设备的热门之一。石墨是一种工业化程度高、加工技术成熟、成本低的电极材料，可以通过钾离子的嵌入形成一级插层化合物（GIC，KC8），其理论容量为279 mAh g-1。然而，循环寿命短和倍率性能不理想是阻碍石墨负极大规模应用的关键障碍。研究发现碳点的引入对氧化石墨烯表面结构及化学键有很大影响，并导致电化学性能的变化。基于此想法，湖南大学的张二晋博士(第一作者)等人利用微波辅助将碳点锚定在还原氧化石墨烯表面（CDs@rGO）,系统研究了碳点对还原氧化石墨烯结构、电化学和钾离子储存性能的影响。

图1. CDs@rGO纸相貌结构表征

在本研究中，通过微波辅助,将葡萄糖转化为碳点,锚定在还原氧化石墨烯表面（CDs@rGO），构建了柔性三维结构的全碳薄膜纸。该三维结构的CDs@rGO薄膜具有利于电解液进入活性位点的通道，可有效增强电子/离子的传输和扩散。此外，量子点引入的大量缺陷和含氧官能团，可有效提升比容量，提高倍率性能，改善电化学性能。

图2. CDs@rGO纸电化学性能以及与其它碳材料负极对比

柔性的CDs@rGO负极在100 mA g-1的电流密度下具有310 mAh g-1的高比容量，初始库伦效率（ICE）约为44.4％；在200 mA g-1的电流密度下循环840次后仍保持244 mAh g-1的比容量；即使经历连续6次电流变化后，在500 mA g-1的高电流密度下也可以提供185 mAh g-1的比容量。与其他最先进的碳基钾电池负极相比，CDs@rGO薄膜在比容量，放电平台和循环稳定性能方面也具有很高的竞争力。出色的循环寿命，高容量保持率，高的倍率性能和高库仑效率，使CDs@rGO薄膜成为了钾离子电池最可能的负极材料之一。

图3. CDs@rGO纸稳定储钾机制探索

电化学性能测试结果结合循环伏安法及原位XRD测试表明，碳点的引入使还原氧化石墨烯的储钾机制从嵌钾/脱钾转变为嵌钾/脱钾与吸附/脱附共同作用，显著提高其比容量，改善循环性能和倍率性能，使还原氧化石墨烯快速可逆储K+成为可能。

总结展望

通过将碳点锚定在还原的氧化石墨烯表面，设计了一种柔性的纯碳基复合材料。该材料在钾离子电池中展现出了优异的循环稳定性、极佳的倍率性能，低充放电平台和较好的全电池性能，是一种潜力很大的钾离子电池负极材料。同时, CDs@rGO电极结构变化和储能机理的系统研究为提升钾离子电池性能提供了参考,引入量子点的策略也为其他材料体系的开发提供了一种新的思路。

文章链接：Erjin Zhang, Xinxin Jia, Bin Wang,Jue Wang, Xinzhi Yu, and Bingan Lu*.Carbon Dots@rGO Paper as Freestandingand Flexible Potassium-Ion Batteries Anode. Advanced Science, 2020,Doi/10.1002/advs.202000470https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000470作者简介张二晋在博士期间，主要从事碳基电极材料研究，其以第一作者（包括共同一作）发表的碳基电极材料相关论文包括：[1] Zhang Erjin, Wang Bin, Yu Xinzhi, ZhuJingyi, Wang Longlu, Lu Bingan*, β-FeOOH on carbon nanotubes as a cathodematerial for Na-ion batteries. Energy Storage Materials 2017, 8, 147[2] Zhang Erjin, Cao Wei, Wang Bin, YuXinzhi, Wang Longlu, Xu Zhi, Lu Bingan*, A novel aluminum dual-ion battery. EnergyStorage Materials 2018, 11, 91[3] Zhang Erjin, Wang Jue, Wang Bin, YuXinzhi, Yang Hongguan, Lu Bingan*, Unzipped carbon nanotubes for aluminumbattery. Energy Storage Materials 2019, 23, 72[4] Zhang Erjin, Wang Bin, Wang Jue, DingHongbo, Zhang Shi, Duan Huigao, Yu Xinzhi, Lu Bingan*, Rapidly synthesizinginterconnected carbon nanocage by microwave toward high-performance aluminumbatteries. Chemical Engineering Journal 2020, 389, 124407[5] ErjinZhang, Xinxin Jia, Bin Wang, Jue Wang, Xinzhi Yu, and Bingan Lu*.Carbon Dots@rGO Paper as Freestanding and Flexible Potassium-IonBatteries Anode. Advanced Science, 2020, Doi/10.1002/advs.202000470[6] Jia Xinxin#, Zhang Erjin#, Yu Xinzhi*,Lu Bingan, Facile Synthesis of Copper Sulfide Nanosheet@Graphene Oxide for theAnode of Potassium‐Ion Batteries. Energy Technology2019, 8, 1900987

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