近日，suncitygroup太阳集团网址、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传统碳材料掺杂及相应的钾离子储能体系领域取得重要进展——“动力学增强的异原子双掺烯碳空心结构用于高倍率可打印钾离子电池”以Full paper的形式在Advanced Energy Materials上发表。苏州大学/伍伦贡大学博士生卢晨、苏州大学博士后孙中体博士为论文的共同第一作者；孙靖宇教授、窦世学院士为通讯作者。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.202001161
随着便携式电子和电动汽车的迅猛发展，对低成本，超安全和规模化的储能系统的需求日渐增大。相较于传统锂离子电池，钾离子电池因为钾金属资源的分布广泛、廉价易得越来越受到人们的关注。然而，由于钾离子较大的离子半径引起的缓慢的电化学反应动力学和较大的体积膨胀限制了其发展。通过电极材料的设计，尤其是负极材料的设计，以获得更快的离子嵌入动力学、更稳定的结构和优化的电化学性能仍然存在挑战。
石墨碳材料由于在商用锂离子电池中的广泛应用，被认为是钾离子电池负极材料的不二选择。近年来，将杂原子（N，S，P，O等）掺杂到碳骨架中已被证明是改善钾离子存储性能的可行途径。研究团队从氮/硫双掺烯碳空心结构入手，首先通过理论计算佐证了氮硫双掺对其电化学发挥的协同促进作用(图1)。
图1: 理论计算分析氮硫共掺杂作用
随后，XRD和HRTEM表征分析验证了异原子掺杂带来的层间距的增大，利于钾离子的层间脱嵌。STEM和XPS分析充分证明了氮硫元素的成功掺杂。氮原子掺杂增强了烯碳材料的导电性及倍率性能，硫原子掺杂改善了容量，并且空心球结构能够有效的抑制脱嵌钾过程中的体积效应：三者协同作用，促进了电化学性能(图2)。
图2: 钾离子电池的电化学性能测试
进一步地，结合动力学分析、原位拉曼光谱、间位XPS和GITT测试发现，该材料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，且具有良好的导电性和反应可逆性。
最后，研究团队借助3D打印技术，打印了活性材料负载量可调的电极，实现了高负载电极的稳定电化学循环(图3)。
图3: 打印电极的电化学性能
亮点与展望：1）对传统碳材料进行掺杂优化并实现精准、批量制备，有巨大的储能应用前景；2）由于氮硫双掺烯碳而增加的层间距和大量缺陷有利于钾离子的吸附、扩散和嵌入；3）本工作基于前期direct-CVD技术支持，设计了一种较为简易的双原子一步掺杂策略，对双原子掺杂的协同促进作用进行了更为清晰的理论分析和实验验证；4）通过打印技术实现了高负载电极的构筑。
本工作通过直接化学气相沉积技术设计并合成了异原子双掺的烯碳空心结构，实现了优异的电化学储钾性能；并构建了可打印的高负载钾离子电池，为未来高性能、低成本的钾离子电池的应用带来了广阔前景。