成果簡介
鈉離子電池（SIBs）和鉀離子電池（PIBs）因其豐富的資源而成為大規模儲能系統的潛在候選電池。然而，由於鈉/鉀離子的大尺寸，碳基負極的不令人滿意的倍率和迴圈效能成為SIBs/PIBs應用的瓶頸。本文，布里斯托爾大學Stephen J. Eichhorn等研究人員在《Adv Funct Mater 》期刊發表名為“Ice-Templated, Sustainable Carbon Aerogels with Hierarchically Tailored Channels for Sodium- and Potassium-Ion Batteries”的論文，研究提出透過可控的單向冰模板技術合成了具有分層定製通道的氧摻雜垂直排列碳氣凝膠（VCA）作為 SIBs/PIBs中的陽極。
VCA-3（冷卻速率為3K min -1）在0.1C下提供約298 mAh g -1的最高可逆容量，SIB在0.5C下超過2000次迴圈具有出色的迴圈效能，而VCA-5在 0.1 C 下則表現出卓越的容量約258 mAh g -1，PIB在0.5 C下在1000次迴圈中的保留率為 82.7%。此外，證明了VCA在應用中的潛力。這種新穎的可控冰模板策略開闢了獨特的途徑來調整空心對齊通道的構建，以縮短離子傳輸途徑並確保結構完整性。報告了對由冰模板策略的冷卻速率調節的結構-效能相關性的新見解，以及適用於多種儲能技術的電極設計指南。
圖文導讀
方案一、用於SIBs/PIBs的CNC/PEO衍生的VCA陽極的合成過程示意圖。
圖1、a）單向冰模板化VCA的形成機制示意圖。
b) 顯示對齊的 CNC/PEO氣凝膠在葉子上的照片。
c) CNC/PEO 氣凝膠的橫截面和俯檢視的SEM影象。
d) 來自X射線斷層掃描的蜂窩狀細的3D重建。
e/f) VCA-7 的縱向檢視和VCA-7 的俯檢視的 SEM 影象。
g-j) VCA-U、VCA-3、VCA-5 和VCA-7 的HRTEM影象和插圖SAED圖案。
圖2、a) XRD圖，b) 拉曼光譜，c) 氮吸附-解吸等溫線，e) 孔徑分佈。d) 結構和表面元素引數的總結， f) VCA-U、-3、-5 和 -7 的完整 XPS 調查光譜。g-h）VCA-3的C 1s 和 O1s核心水平的高解析度 XPS 光譜
圖3、SIBs半電池中VCA電極的電化學特性
圖4、PIBs半電池中VCA電極的電化學特性。
圖5、PIB 分析：a) 從0.1到5.0mV s -1的各種掃描速率下的CV曲線。b) 在0.5mVs-1時電容和擴散控制電荷的分離。c) 不同掃描速率下電容和擴散控制電荷的貢獻率。d) EIS 分析。e) 放電過程的 GITT 電位曲線。f) 作為放電過程狀態的函式的鉀離子擴散係數。迴圈電極的 g) 擬合 C 1s、h) O 1s 和 i) P 2p 核心水平的非原位 XPS 光譜。
圖6、a-b) SIB和PIB的電容和擴散控制機制的示意圖。c) 工作原理示意圖，d) 不同電流密度下的放電/充電曲線， e) 在VCA-3//Na 3V的0.5C下執行的迴圈效能2 (PO4 ) 3鈉離子全電池。f) 工作原理示意圖，g) 不同電流密度下的放電/充電曲線， h) VCA-5//K2 PTCDA 鉀離子全電池在0.5 C下的迴圈效能。
小結
綜上所述，透過可控冰模板策略調節電化學儲存效能的實用途徑，該策略可以輕鬆擴充套件到各種其他儲能系統，如鋅離子、鈣離子、鋁離子和鎂離子電池，展示了其在下一代儲能系統方面的普遍潛力。得益於前驅體的可再生性和環境友好合成過程中相對低成本的可擴充套件性，這項工作可以為在不久的將來促進可持續電動汽車和大型儲能電網的大規模應用提供一條有吸引力的途徑。
文獻：
https://doi.org/10.1002/adfm.202110862
