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周江/史曉東/魯兵安AEM:凹面碳球的可控設計及儲鉀/鈉性能探究!

本文實現(xiàn)了對凹面結構的精確形態(tài)調(diào)控,以準確解釋碳材料的微觀結構和電化學性能之間的關系。

周江/史曉東/魯兵安AEM:凹面碳球的可控設計及儲鉀/鈉性能探究!
凹面碳球(CCS)由于其獨特的物理化學特性而引起了人們的極大興趣。然而,精確的合成方法仍然很少,因為控制中間前體的動態(tài)和非選擇性的變形過程是一個巨大的挑戰(zhàn)。
中南大學周江、史曉東、湖南大學魯兵安等實現(xiàn)了對凹面結構的精確形態(tài)調(diào)控,以準確解釋碳材料的微觀結構和電化學性能之間的關系。
周江/史曉東/魯兵安AEM:凹面碳球的可控設計及儲鉀/鈉性能探究!
圖1. CCS樣品的制備及形貌
在有限元模擬的基礎上,作者提出了聚合彎曲理論,分析了CCS材料的形態(tài)演變機制。特別是選擇了C30樣品(具有較大的層間間距和較低的石墨化程度)作為研究對象,并對其儲鉀和儲鈉性能進行了進一步研究。有限元模擬結果表明,CCS材料的應力積累是各向異性的,有利于形成均勻的應力分布,從而緩解了應力集中效應,進而避免了循環(huán)過程中的結構變形甚至結構失效。
周江/史曉東/魯兵安AEM:凹面碳球的可控設計及儲鉀/鈉性能探究!
圖2. 應力分布的化學力學模擬結果
受益于結構上的優(yōu)勢,C30負極在4A g-1的條件下循環(huán)1350次后,儲鉀容量仍保持在104.9 mAh g-1,對應于每循環(huán)2.7%的極低容量衰減率。對于鈉離子電池,在2 A g-1的條件下,經(jīng)過2700次循環(huán)后可以實現(xiàn)116.4 mAh g-1的可逆容量。這項工作可能為凹陷中空碳材料的設計開辟了一條新的途徑,并促進其在儲能領域的實際應用。
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圖3. 鉀/鈉儲存性能
Concave Engineering of Hollow Carbon Spheres toward Advanced Anode Material for Sodium/Potassium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202851

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