本技术涉及一种单原子铜掺杂多孔碳纤维及其制备方法和应用,属于材料科学领域。该材料孔径范围100-600纳米,比表面积1000-3500平方米/克,具有优异的物理化学特性,可广泛应用于能源、环保等多个领域。
背景技术
随着电力发展,造成锂离子电池面临着巨大的消耗需求,这引起了有关有限资源的担忧。因此,利用地球丰富元素的替代电池系统成为关注重点。例如,钾离子电池由于其与锂离子电池相比具有可比较的操作电压和功率密度以及高丰富的钾资源,正受到广泛关注。迄今为止,已开发了几种类型的钾离子电池负极材料,如插层型(石墨、硬/软碳)、转化型(SnS2
、MoS2
)和合金型(Sn、Sb)等。为了实现钾电池的高比能量,钾金属是一种最佳选择,其在所有负极材料中具有最低的氧化还原电位(-2.93V vs.SHE)和最高的比容量(687mAhg-1
)。
然而,钾金属负极在电镀/剥离过程中也会遇到不可避免的枝晶生长问题,造成低库仑效率、引发内部短路等问题,这严重阻碍了其实际应用。因此,考虑使用一种导电基底来稳定钾负极,使得钾金属可以被封装在基底中,从而减少发生副反应的机会、缓冲体积变化、提供导电网络,进一步抑制枝晶生长。通常,改性后的铜和铝等金属基底,是一类潜在的稳定和无枝晶复合钾负极的基底,然而其较高的密度和相对较低的空间利用率阻碍了金属基底的应用。相比之下,基于具有较低密度和电化学稳定的碳基底对于钾容纳更为有利,有利于实现高比能量和能量密度。
因此,为实现高能量密度以及循环稳定的钾金属电池,要从以下几方面出发:(1)引入更多的活性位点,例如单原子、团簇、颗粒等,能够实现低成核过电位,提高亲钾性;(2)增加基体的导电性和比表面积,例如多孔碳,能够诱导离子/电子快速传递,降低局部电流密度,阻碍枝晶生长;(3)具有足够内部空间的三维结构,能够有效引导均匀的电场和平滑的钾镀层,实现循环过程中抑制枝晶生长。因此,构建三维多孔并大量分布活性位点的基底材料是提高钾金属电池循环稳定的有效方案。
本发明提出一种单原子铜掺杂多孔碳纤维及其制备方法、在钾金属电池中的应用,通过静电纺丝制备单原子铜均匀分散的多孔碳纤维,单原子铜的含量为0.5wt%~10.0wt%,多孔碳纤维上孔洞直径为100~600nm,比表面积为1000~3500m2
g-1
,且所制备的单原子铜掺杂多孔碳纤维应用于钾金属电池中具有超强的循环稳定性。
实现思路