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周江/史曉東/魯兵安AEM：凹面碳球的可控設(shè)計(jì)及儲(chǔ)鉀/鈉性能探究！

凹面碳球（CCS）由于其獨(dú)特的物理化學(xué)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?yàn)榭刂浦虚g前體的動(dòng)態(tài)和非選擇性的變形過(guò)程是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

中南大學(xué)周江、史曉東、湖南大學(xué)魯兵安等實(shí)現(xiàn)了對(duì)凹面結(jié)構(gòu)的精確形態(tài)調(diào)控，以準(zhǔn)確解釋碳材料的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能之間的關(guān)系。

圖1. CCS樣品的制備及形貌

在有限元模擬的基礎(chǔ)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(jī)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(duì)象，并對(duì)其儲(chǔ)鉀和儲(chǔ)鈉性能進(jìn)行了進(jìn)一步研究。有限元模擬結(jié)果表明，CCS材料的應(yīng)力積累是各向異性的，有利于形成均勻的應(yīng)力分布，從而緩解了應(yīng)力集中效應(yīng)，進(jìn)而避免了循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形甚至結(jié)構(gòu)失效。

圖2. 應(yīng)力分布的化學(xué)力學(xué)模擬結(jié)果

受益于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，C30負(fù)極在4A g^-1的條件下循環(huán)1350次后，儲(chǔ)鉀容量仍保持在104.9 mAh g^-1，對(duì)應(yīng)于每循環(huán)2.7%的極低容量衰減率。對(duì)于鈉離子電池，在2 A g^-1的條件下，經(jīng)過(guò)2700次循環(huán)后可以實(shí)現(xiàn)116.4 mAh g^-1的可逆容量。這項(xiàng)工作可能為凹陷中空碳材料的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了一條新的途徑，并促進(jìn)其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

圖3. 鉀/鈉儲(chǔ)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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