本技术涉及一种单原子钴掺杂碳纤维材料及其制备方法和应用,属于材料科学领域。该材料以多层孔隙互联碳纤维网络为特征,展现出优异的物理和化学性能。
背景技术
随着便携式电子产品、电气化交通和智能电网的快速发展,锂离子电池面临着巨大的消费需求。因此,开发一种替代电池系统引起了科学家和工业界的极大兴趣。例如,钾离子电池因其与锂离子电池相当的工作电压和功率密度而引起广泛关注。更重要的是,钾资源的丰度很高,几乎是取之不尽用之不竭的。这些优势使钾离子电池具有大规模储能应用的巨大潜力,被认为是锂离子电池较有前景的替代品之一。
在钾离子电池的负极材料中,金属钾具有最低的氧化还原电位(-2.93V vs SHE)和高比容量(687mAh g-1
),这有助于在钾基电池中实现高比能。除此之外,钾金属负极也将为K-S、K-O2
和K-Br等新型高能电池系统开辟机会,从而可以显著提高储能密度。尽管钾金属电池具有很多吸引人的特性,但由于钾枝晶生长,不稳定的固体电解质界面(SEI)和钾负极在循环时的大体积变化等尚未解决的问题,使其尚未商业化。在反应过程中,不均匀的钾沉积和体积变化经常会破坏脆弱的SEI层,导致钾和电解质之间发生更多的寄生反应,加剧钾枝晶生长,最终导致容量衰退并引发电池运行中的安全问题(包括火灾和爆炸)。
减缓或抑制枝晶的生长对于钾金属负极的开发至关重要。三维导电碳基宿主在钾金属负极应用中具有良好的前景,它的优点是:(1)钾金属可以被封装在主体中,从而减少碱金属与电解质发生副反应的机会;(2)主体可以通过缓冲体积变化来提高金属负极的结构稳定性;(3)主体可以提供导电网络,诱导离子/电子快速传递,降低局部电流密度,进一步阻碍枝晶生长。此外,单原子钴掺杂的碳纤维主体表面具有丰富且均匀分散的亲钾位点,有利于实现钾的均匀电镀,进而提高电池的循环稳定性。
故此,本发明提出一种单原子钴掺杂碳纤维材料及其制备方法与应用,通过静电纺丝制备单原子钴均匀分散的碳纤维材料,单原子钴的含量为1.0wt%~9.0wt%,该碳纤维材料具有多层孔隙度的互联碳纤维网络有利于保持单原子钴位点的可达性并抑制其团聚,进而引导均匀的钾形核和生长,从而抑制钾负极处枝晶的形成;所制备的单原子钴掺杂碳纤维/钾复合负极具有超强的循环稳定性。
实现思路