苏大孙靖宇团队通过3D打印技术实现高负载电极构(2)

图1:材料的制备与表征

鉴于此，本文报道了一种烯碳铠甲保护的TiO2纳米管电极材料的原位制备策略，可用作具有赝电容行为的钾电负极材料。其优势主要体现在以下几方面：1)石墨烯铠甲与TiO2之间牢固而紧密的接触赋予TiO2优异的导电性，有助于其容量的充分发挥；2)PECVD法制备的石墨烯具有明显的缺陷结构，有利于电解液渗透和钾离子嵌入；3)石墨烯铠装能够有效缓解钾离子嵌入/脱出过程中的体积变化，改善负极的结构和保持电化学稳定性。

图2:钾离子电池电化学性能测试

烯碳铠甲保护的TiO2纳米管负极展现了良好的储钾能力，即使在5.0Ag?1的大电流密度下，仍具有较高的容量和循环稳定性，相比于其他钛系材料储钾性能具有优势。

图3:原位TEM观察储钾过程

为了探讨所制备的电极复合材料在钾离子存储方面的耐久性，作者采用原位TEM技术研究了其在钾离子存储周期中的结构演变。结果表明，相比于纯的TiO2纳米管，烯碳铠甲保护的TiO2纳米管在完全钾化后的径向膨胀率明显偏低，表明了石墨烯铠甲保护下TiO2材料的机械稳定性。

进一步地，结合原位XRD技术，揭示了储钾机制，清晰的呈现了钾离子嵌入/脱出过程中材料结构的可逆转变。同时，结合理论计算，验证了烯碳铠甲对材料导电性的提升。

图4:原位XRD与理论计算揭示储钾机制

本工作通过PECVD技术设计为TiO2纳米管装备石墨烯铠甲：具有丰富缺陷结构的石墨烯在提升材料导电性的同时，有助于缓解嵌脱钾过程中的体积膨胀/收缩，最终获得了优异的电化学储钾性能。同时，结合多项原位表征技术的运用，从形貌和结构全面揭示了TiO2的储钾机制。

文章链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-020-00460-y

3、温度调控石墨炔材料助力钾离子高效存储

近日，苏州大学能源学院、苏州大学——北京石墨烯研究院协同创新中心的孙靖宇教授团队在新型碳材料合成及相应的钾离子储能体系领域取得重要进展——“温度调控石墨炔材料助力钾离子高效存储”以Fullpaper的形式在AdvancedFunctionalMaterials上发表。苏州大学博士生易雨阳、北京石墨烯研究院博士后李加强博士、中国石油大学赵文副教授为论文的共同第一作者；孙靖宇教授，张锦院士和刘忠范院士为通讯作者。

为了解决锂资源短缺及分布不均匀的问题，寻找一种可替代碱金属电池体系刻不容缓。其中金属钾在地球含量丰富，价格低廉，标准电极电势非常接近于锂，且在有机电解液中具有较快的迁移率，从而成为强有力的候选者。随着2015年商用石墨的储钾能力得到证实，纳米碳材料作为钾离子电池负极材料的研究呈快速增长趋势。但是，由于钾具有较大的原子半径，导致其动力学缓慢，同时嵌入/脱出时容易造成电极体积膨胀，导致电池的循环性能和倍率性能大大降低。因此，发展新型、廉价、具有广阔应用前景的碳负极材料具有重要意义。

图1:理论计算分析石墨炔储钾行为

石墨炔作为一种碳的同素异形体，具有大量的乙二炔键和均匀分布的“大三角”孔隙结构，使得钾离子不仅能够在层与层之间迁移，还能在层间垂直穿梭。研究团队从石墨炔材料的结构入手，首先通过理论计算确定了钾离子的吸附位点和存储过程中的传输路径，并且评估得出了石墨炔储钾的理论容量相较于石墨得到了很大提升。这对于后续石墨炔的制备及储钾性能的探索具有指导作用。

拉曼光谱、红外光谱、X射线光电子能谱和氮气吸脱附等表征充分证明了石墨炔材料的结构：大量炔键的存在以及特殊的微孔、中孔共存的纳米结构。通过温度的调控能够有效去除石墨炔表面的有机杂质，从而大大提升所获得的石墨炔材料的导电性，促进电化学性能。从半电池的倍率性能和循环稳定性的结果可以很好地佐证。

图2:钾离子电池倍率和循环性能测试

进一步地，结合动力学分析、原位拉曼光谱和间位XPS/TEM测试发现，石墨炔储钾的容量主要来源于对钾离子的表面吸/脱附及钾离子的嵌入脱出，且具有良好的可逆性。

文章来源：《中国科技期刊研究》 网址: http://www.zgkjqkyjzz.cn/zonghexinwen/2020/1017/360.html