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三峡大学杨学林J. Electroanal. Chem.:CuO/Cu团簇修饰氮掺杂碳微纤维网络,作为钾离子电池的自支撑负极材料
2020/7/29 10:43:52 易丝帮

DOI:10.1016/j.jelechem.2020.114483

鉴于钾离子电池中钾化动力学缓慢的问题,在此,研究者报告了一种通过静电纺丝制备的自支撑负极材料,该材料由含CuO/Cu团簇的氮掺杂碳超细纤维(CuO/Cu-NCNFs电极)组成。通过这种方式,成功地获得了由CuO/Cu-NCNFs超细纤维交织的三维导电网络。如预期的那样,与氮掺杂碳超细纤维(NCNFs)相比,这种用于钾离子电池的自支撑负极材料具有更好的电化学性能。CuO/Cu-NCNFs电极在100 mA g-1下循环100次后,仍然具有205.9 mAh g-1的可逆容量。经过深入的研究发现,CuO/Cu-NCNFs比NCNFs具有更明显的伪电容特性。改进的电容贡献揭示了CuO/Cu-NCNFs快速动力学的原因。CuO/Cu的存在显著提高了超细纤维网络的机械性能和稳定性,从而实现了CuO/Cu-NCNFs的快速动力学。可以预见,这种新型CuO/Cu-NCNFs超细纤维骨架材料将为设计高性能的钾离子电池电极材料提供明确的方向。

 

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图1.(a)CuO/Cu-NCNFs的制备过程示意图。(b-d)NCNFs和(e-g)CuO/Cu-NCNFs在不同放大倍数下的SEM图像(图1e中的插图显示了CuO/Cu-NCNFs的数码照片)。


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图2.(a)NCNFs和CuO/Cu-NCNFs的XRD图谱。(b)CuO/Cu-NCNFs的TGA曲线和(c)拉曼光谱。


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图3.(a)CuO/Cu-NCNFs的XPS全谱以及(b)C 1s、(c)N 1s、(d)O 1s、(e)Cu 2p的高分辨率XPS光谱。


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图4.(a,b)NCNFs的TEM和(c)HRTEM图像(插图显示了相应的SAED图谱)。(d)NCNFs中C和N元素的EDS映射。CuO/Cu-NCNFs的(e,f)TEM和(g)HRTEM图像(插图显示了相应的SAED图谱)。(h,i)CuO/Cu-NCNFs的C、N、O和Cu元素的EDS映射。


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图5.(a)NCNFs电极在扫描速度为0.2 mV s-1时的前三个循环的CV曲线。(b)在0.01-3.0 V(vs K+/K)电压范围内,电流密度为100 mA g-1时NCNFs的充放电曲线。(c)在电流密度为100 mA g-1时NCNFs和CuO/Cu-NCNFs电极的循环性能。(d)CuO/Cu-NCNFs电极在扫描速度为0.2 mV s-1时的前三个循环的CV曲线。(e)CuO/C-NCNFs电极在电流密度为100 mA g-1且电压范围为0.01-3.0 V(vs K+/K)时的充放电曲线。(f)在各种电流密度下,NCNFs和CuO/Cu-NCNFs的倍率性能。


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图6.(a)NCNFs和CuO/Cu-NCNFs电极的奈奎斯特图和(b)低频与实际电阻之间的关系。(c)NCNFs和CuO/Cu-NCNFs电极的奈奎斯特图和(d)100个循环后低频与实际电阻之间的关系。(e)具有有效K+离子扩散的CuO/Cu-NCNFs的示意图。


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图7.(a,b)在各种扫描速率下的CV曲线,(c,d)在1 mV s-1的扫描速率下对电容的电容(绿色区域)贡献,(e,f)两个电极在不同扫描速率下的贡献率(a,c,e为NCNFs,b,d,f为CuO/Cu-NCNFs)。


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图8.(a)CuO/Cu-NCNFs电极在1 A g-1电流密度下的循环性能。(b,c)NCNFs和(d,e)CuO/Cu-NCNFs在100 mA g-1电流密度下循环100次后的SEM图像。


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