新兴的便携式电子和电动汽车的快速发展伴随着可再生能源的广泛利用,加速了廉价、可持续和大规模储能系统的发展。然而,考虑到锂的高成本和有限的储量,商业锂离子电池(LIBs)的大规模应用受到很大限制。钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)因其丰富的资源而成为大规模储能系统的潜在候选者。然而,由于钠/钾离子的大尺寸,碳基负极的不令人满意的倍率和循环性能成为SIBs/PIBs应用的瓶颈。

鉴于此,布里斯托尔大学Stephen J. Eichhorn教授通过可控的单向冰模板技术合成了具有分层定制通道的氧掺杂垂直排列碳气凝胶(VCAs),以作为 SIBs/PIBs的高性能负极。当应用于SIBs时,VCA-3在0.1 C时提供了 ≈298 mAh g-1的最高可逆容量,并在0.5 C下具超过2000次循环的出色循环性能;而当应用于PIBs时,VCA-5则在0.1 C下表现出≈258 mAh g-1的卓越的容量,并在0.5 C下循环1000次后保留82.7%的容量。此外,SIBs/PIBs的全电池证明了VCA在应用中的潜力。

文章亮点:

  1. 这是首次通过控制单向冰模板技术的冷却速率来提高VCA负极应用于SIBs/PIBs的倍率和循环性能
  2. 通过温和地控制单向冰模板技术的冷却速度,可逐渐调整VCA石墨域的氧官能度、有序结构、缺陷密度、通道宽度以及层间距,以调节Na+/K+存储行为,从而确保优化的碳微/纳米结构适合它们作为稳定的SIB或PIB负极材料。
  3. 这项工作证明了通过可控冰模板策略调节电化学存储性能的实用途径,该策略可以轻松扩展到各种其他储能系统,如锌离子、钙离子、铝离子和镁离子电池,展示了其在下一代储能系统方面的普遍潜力。
图1 VCA负极的合成过程示意图
图1 VCA负极的合成过程示意图
图2 单向冰模板化VCA的形成机制示意图及材料表征
图2 单向冰模板化VCA的形成机制示意图及材料表征
图3 SIBs半电池性能
图3 SIBs半电池性能
图4 PIBs半电池性能
图4 PIBs半电池性能
图5 SIBs/PIBs全电池性能
图5 SIBs/PIBs全电池性能

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