ACS Nano：快充下具有超高钾化能力的富硫石墨烯纳米盒的储钾机制和器件性能

钾离子电池（PIBs）和钾离子电容器（PICs）正引起科学界的广泛关注。一系列材料，包括MXene、磷基材料、V₂O₃基体系、钛酸钾、各种金属合金和碳等一系列材料已被PIBs的负极材料。与锂类似，钾离子可以可逆地插入石墨中，形成石墨层间化合物（GICs）。然而，开发可快充和具有高可逆容量的储钾碳材料面临仍极具挑战性。

近日，美国得克萨斯大学奥斯汀分校David Mitlin，中国海洋大学王焕磊教授报道了通过一步化学气相沉积法合成了一种富硫石墨烯纳米盒（SGNs），作为PIBs和PICs的负极材料，SGNs具有优异的倍率和循环性能。

文章要点

1）研究人员以噻吩为富硫前驱体，以MgO为牺牲模板剂。将五水碳酸镁在氮气气氛中加热生成MgO，然后将噻吩蒸气引入燃烧室。冷却至室温后，通过化学腐蚀去除MgO模板，所得材料分别为SGN-900和SGN-1000。然后以乙醇为前驱体，在900 °C下合成了无硫石墨烯纳米盒（GN-900）。

2）实验结果显示，SGNs电极在0.05 A g⁻¹时的可逆容量为516 mAh g⁻¹，在1 A g⁻¹时的快充容量为223 mA h g⁻¹，1000次循环后容量保持率达89%。此外，SGN基PIC表现出优异的Ragone chart特性：在505 W kg⁻¹时为112 Wh kg⁻¹，在14618 W kg−1时为28 Wh kg⁻¹，在6000次循环后的容量保持率为92%。

3）X射线光电子能谱分析表明，电荷存储序列主要基于碳中结构化学缺陷的可逆离子结合以及K−S−C和K₂S化合物的可逆形成。透射电子显微镜分析表明，由于离子嵌入，石墨烯发生了可逆的膨胀，并成为低电压下容量的第二来源。即使经过1000次循环，这种嵌入机制极具稳定性。此外，恒电流间歇滴定技术分析结果显示，SGNs具有10^-10至10^-12 cm²s^-1的扩散系数，比无硫碳高一个数量级。此外，化学结合的硫增加了可逆离子键合位点，促进了反应控制的超过扩散控制的动力学，从而稳定了固体电解质界面。

4）研究发现，将标准的碳酸盐基电解液改为醚基电解液，可以显著提高初始库仑效率。

参考文献

Yiwei Sun, et al, Sulfur-Rich Graphene Nanoboxes with Ultra-High Potassiation Capacity at Fast Charge: Storage Mechanisms and Device Performance, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c09290

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c09290