长沙理工大学《IJHE》：石墨烯改性Sb2O3多孔碳纳米纤维，用于钾离子电池

成果简介

由于理论比容量高，Sb2O3 被认为是钾离子电池的理想阳极材料。然而，在循环过程中，钾盐化和去钾盐化会引起较大的体积变化，从而导致电极开裂和不可逆的容量损失。本文，长沙理工大学秦伟 博士等在《International Journal of Hydrogen Energy》期刊发表名为“Graphene modified Sb2O3/porous carbon nanofibers via electrospinning treated in air for potassium-ion batteries with enhanced cycling stability”的论文，研究提出通过电纺丝制备了石墨烯改性的Sb2O3多孔碳纳米纤维，随后在空气中退火，作为钾离子电池的负极材料。

由于引入了石墨烯，电极材料的机械性能大大提高，杨氏模量从 1367.9MPa提高到 3045.5MPa。最终，制备的 Sb2O3@GPCN-100 多孔纤维在电流密度为 500 mA g-1 的条件下循环 300 次后，比容量高达 327 mAh g-1。即使在 1000 mA g-1 的高电流密度下，该电极在 600 次循环后也能显示出 292 mAh g-1 的比容量，显示出出色的可逆稳定性和高比容量。这种石墨烯改性策略也可为其他钾离子电池阳极材料的改性提供可行的解决方案。

图文导读

图1. Sb2O3@GPCN-50、Sb2O3@GPCN-100、Sb2O3@GPCN-150 的制备过程示意图

图2. Sb2O3@PCN、Sb2O3@GPCN-50、Sb2O3@GPCN-100、Sb2O3@GPCN-150 的 XRD 图谱

图3. (a) 石墨烯、(b) Sb2O3@GPCN-50、(c) Sb2O3@GPCN-100、(d) Sb2O3@GPCN-150 的 SEM 图像；(e) Sb2O3@GPCN-100 的高倍 SEM 和 (f) TEM 图像

图4. Sb2O3@GPCN-100 的 (a) 勘测扫描、(b) C 1s、(c) N 1s 和 (d) Sb 3d 的 XPS 图谱

图5：Sb2O3@PCN、Sb2O3@GPCN-50、Sb2O3@GPCN-100 的（a）循环性能和（b）速率性能；（c）Sb2O3@GPCN-100 在电流密度为 1000 mA g-1 时的长循环性能和库仑效率。

图6. Sb2O3@GPCN-100 和 Sb2O3@PCN 的载荷与位移曲线

小结

总之，通过电纺和空气退火成功制备了石墨烯修饰的 Sb2O3/多孔碳纳米纤维，并将其用作 PIB 的阳极。通过优化石墨烯含量，Sb2O3@GPCN-100 组装的 PIB 表现出优异的电化学钾离子存储性能。Sb2O3@GPCN-100 在 500 mA g-1 条件下循环 300 次后可产生 327 mAh g-1 的高比容量，在 1000 mA g-1 条件下循环 600 次后可产生 292 mAh g-1 的高比容量，其性能优于未引入石墨烯的情况。这种优异的电化学性能不仅得益于在空气中处理后获得的多孔结构，它能有效缓解充放电过程中Sb2O3的体积变化，增加电极与电解液的接触，还得益于石墨烯的高导电性和机械强度，它能增强原始 Sb2O3/多孔碳纳米纤维的机械强度。

文献：https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.08.118