DOI: 10.1002/smll.202101576

钾离子电池（PIBs）作为下一代储能系统，被认为是锂离子电池的有前途的替代品。然而，较大的K+半径阻碍了K+在传统碳电极中的嵌入，导致钾化反应动力学缓慢且循环稳定性差。在本研究中，一步合成了氮氟共掺杂软碳纳米管（NFSC）负极，使PIBs具有极好的电化学性能。结果表明，氮掺杂量为5.6at％，氟掺杂量为1.3at％的NFSC在0.2 A g-1下表现出最高的可逆容量（238 mAh g-1），在1 A g-1下进行1000次循环后的循环稳定性为186 mAh g-1。其优异的电化学性能可归因于中空结构、扩大的层间距、氮氟共掺杂以及丰富缺陷位点的结合能力。此外，密度泛函理论表明，额外的氟改性可以显着增强常规的氮掺杂效应，降低形成能，有助于提高导电性和K离子嵌入。这项工作为开发用于PIBs和其他先进储能设备的低成本、可持续碳基材料奠定了基础。

图1.前体（混合PPy纳米纤维和PVDF球体）和NFSC的制备过程示意图。

图2.a）PYP1、b）PYP2、c）PYP3、d）PYP4、e）NFSC1、f）NFSC2、g）NFSC3和f）NFSC4的SEM图像。

图3.PYP2和NFSC2纳米纤维样品的结构和形态表征：a）PYP2和c）NFSC的TEM图像；b）PYP2和e）NFSC2的STEM-HAADF图像和元素分布STEM-EDS映射。d）NFSC2的高倍放大HRTEM图像。f）来自NFSC2的STEM-HAADF图像黄线区域的线扫描EDS。NFSC2的TEM和HRTEM图像代表具有无定形碳的碳纳米管结构。

图4.NFSCs的结构表征。a）拉曼光谱和b）氮气吸附-解吸等温线（插图显示相关的孔径分布）。c）C130N30F2的模型，其氮和氟的掺杂比为15:1。分别为d）C1s、e）N1s和f）F1s的高分辨率XPS光谱。

图5.在0.01-3.0V电压窗口内通过钮扣电池研究作为PIB负极的样品的电化学性能。在200 mA g-1的电流密度下，a）NFSC1、b）NFSC2和c）NFSC3的恒电流充电/放电曲线。d）NFSC2在0.1 mV s-1下的CV曲线。e）NFSC1（蓝线）、NFSC2（橙线）和NFSC3（绿线）在0.05-20 A g-1电流密度范围内的倍率性能。NFSC1（蓝线）、NFSC2（橙线）和NFSC3（绿线）在f）200 mA g-1和g）1 A g-1的电流密度下的长期循环性能。

图6.样品（NFSC1、NFSC2和NFSC3）中表面主导的钾离子储存的定量分析和电极钾离子扩散系数的研究。a）NFSC1、b）NFSC2和c）NFSC3在0.01-3.0V电压窗口内于不同扫描速率（0.2-1.5 mV s-1）下的CV曲线。d）b值测定。e）在不同扫描速率下，NFSC1、NFSC2和NFSC3中表面电容过程的贡献。f）当扫描速率为1.5 mV s-1时，NFSC2表面电容过程的贡献。g）NFSC1（蓝色）、NFSC2（橙色）和NFSC3（绿色）充放电过程的GITT曲线。h）K离子扩散系数与充电/放电过程状态的函数关系。

图7.a）第一次循环期间NFSC2在选定状态下的非原位拉曼光谱。b）原始NFSC2负极和第一次循环期间处于完全钾化/脱钾状态的负极的ID/IG比率（橙色块）。在不同放电/充电电压状态下，通过XPS测定NFSC2负极中K离子的浓度（蓝色块）。通过充电/放电过程选定点的非原位SEM研究NFSC2的结构和形态表征：c）原始；放电至d）1.40V和e）0.01V；充电至f）0.1，g）0.6和h）3.0V。

图8.K以不同比例吸附在N和F掺杂碳结构的不同位置。a-c）单个K原子在三种结构中吸附的顶视图以及C125N30F7的相应吸附能。d）C132N30、e）C130N30F2和f）C125N30F7结构中吸附的K的电子密度差异。海军蓝和黄色区域分别代表电子密度的增加和减少。g）结构和K离子之间的电荷转移（Δq）。h）通过CINEB方法计算出扩散路径对应的迁移势垒。灰色、海军蓝和蓝色球体分别代表C、N和F原子。