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鉀離子電池（KIBs）有望以較低的成本獲得較好的輸出電壓和能量密度。然而，電化學循環(huán)過程中電極的嚴重體積變化導致結(jié)構(gòu)崩塌和反應動力學遲緩仍然是值得注意的問題，因此提高K⁺反應動力學和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以進一步增強電極材料的儲鉀性能具有重要意義。

在此，山東大學熊勝林教授、奚寶娟副教授等人通過自模板催化精確合成了一種新型負極材料，其中包覆有N摻雜碳的小尺寸CoP納米顆粒（NP，≈20 nm）被固定在一維N摻雜碳骨架中（CoP@NC?NCFs）。

這種結(jié)構(gòu)在CoP NPs和碳之間提供了密切和穩(wěn)定的電接觸，保證了K⁺/電子的快速遷移且能夠在鉀化/脫鉀過程中抑制CoP NPs的聚集和CoP@NC?NCFs的粉化從而提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

C₃N₄的引入使碳晶格中的N含量增加至高達9.01%，引入了更多的活性位點從而大大提高了碳的電子電導率。CoP NPs的碳層封裝可以很好地限制體積變化，因此混合體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常出色。

圖1. CoP@NC?NCFs合成示意圖

經(jīng)恒電流間歇滴定（GITT）和DFT計算驗證，CoP@NC?NCFs實現(xiàn)了快速的鉀離子反應動力學和對鉀離子的強吸附。作者通過結(jié)合先進的原位XRD和非原位TEM表征技術(shù)，闡明了CoP與鉀離子的固溶反應機理。

CoP的零應變結(jié)構(gòu)進一步確保了結(jié)構(gòu)的堅固，CoP@NC?NCFs電極在0.1 A g^-1時1200次循環(huán)后仍可達到205.7 mAh g^-1的高可逆容量，衰減率僅為0.01%。

此外，所制備的相應K離子全電池在100 mA g^-1下的容量為117 mAh g^-1，200次循環(huán)后容量保持率為99%。更重要的的是，這種基于自催化/模板策略合成的獨特而新穎的結(jié)構(gòu)還可以擴展到更高效的儲能材料工程。

圖2. CoP@NC?NCFs的儲鉀性能

Zero-Strain Structure for Efficient Potassium Storage Nitrogen-Enriched Carbon Dual-Confinement CoP Composite, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202103341

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山大熊勝林/奚寶娟AEM：用于高效儲鉀的零應變CoP復合材料

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