以废弃树皮为原料制备多孔硬碳负极，用于钾离子电池

摘要：氧含量和比表面积是影响钾离子电池（PIB）生物质硬碳阳极电化学性能的关键因素。增加氧含量可提高钾储存量，改善循环稳定性和速率性能。此外，优化多孔结构可增加比表面积，促进钾离子扩散并提高容量。本文，华南理工大学熊勤钢教授团队在《Energy Technolog

1成果简介

氧含量和比表面积是影响钾离子电池（PIB）生物质硬碳阳极电化学性能的关键因素。增加氧含量可提高钾储存量，改善循环稳定性和速率性能。此外，优化多孔结构可增加比表面积，促进钾离子扩散并提高容量。本文，华南理工大学熊勤钢教授团队在《Energy Technology》期刊发表名为“Bark-Derived Oxygen-Doped Porous Hard Carbon Anodes for Potassium-Ion Batteries”的论文，研究提出了一种以树皮为前体、氧气为氧化剂、pluronic P123为模板剂的成本效益型环保策略。通过预氧化和水热处理合成了掺氧多孔硬碳阳极。这些阳极具有较大的层间间距、较高的比表面积和显著的氧含量，因而具有出色的电化学稳定性和电容量。在0.1Ag-1 条件下循环200次后，这些阳极仍能保持230.2mAh g-1 的高比放电容量，而且容量损失极小。在1A g-1条件下循环3000次后，容量保持率为80%。这项工作展示了利用树皮生产高性能硬碳阳极的有效方法，推动了树皮衍生材料在储能领域的发展。

2图文导读

图1、Schematic illustration showing the preparation processes of BC, BOC, and BOPC.

图2、SEM images of a) BC, b) BOC, and c) BOPC; TEM images of d) BC, e) BOC, and f) BOPC.

图3、a) XRD patterns; b) Raman spectra; c) N2 adsorption/desorption isotherms; and d) pore size distribution curves of BC, BOC, and BOPC.

图4、a) XPS survey of BC, BOC, and BOPC; O 1s spectra of b) BC, c) BOC, and d) BOPC.

图5、CV curves of a) BC, b) BOC, and c) BOPC; first, second, tenth, and fiftieth charge–discharge curves of d) BC, e) BOC, and f) BOPC.

图6、a) Rate performance of BC, BOC, and BOPC; b) specific discharge capacities of BC, BOC, and BOPC at 0.1 A g−1; c) specific discharge capacity of BOPC at 1 A g−1.

图7、a) CV curves at different scanning rates (0.2–1.0 mV s−1); b) b value calculated from plotting the peak current versus scanning rates; c). CV curves of the capacitive controlled-capacity at 0.8 mV s−1; d) stacked-bar charts of capacitive and diffusive-controlled capacity at different scanning rates (0.2–1.0 mV s−1).

3小结

采用一种新颖、低成本且环保的策略成功制备了用于高级PIB的树皮衍生硬碳阳极，该策略包括预氧化处理，然后用P123进行水热处理。掺氧后，BOC 和 BOPC中的氧含量分别增至11.1% 和 11.2%，而未预氧化 BC 中的氧含量仅为9.1%。氧掺杂增加了层间间距和无序度，BOC和BOPC的数值均高于BC。然而，氧掺杂降低了比表面积。因此，BOC的比表面积为252.72 m2 g-1，小于 BC 的 365.89m2 g-1。然而，P123有效地增加了比表面积，因此掺氧 BOPC仍保持了462.03m2 g−1的高比表面积。

总之，这种新型工艺制备的树皮基硬碳材料具有比表面积大、活性位点多、无序度高、层间距增大等特点。基于上述特性，BOPC表现出卓越的比容量，在0.1Ag-1 的条件下循环200次后，比容量达到 230.2mAh g-1，几乎没有容量衰减。即使在1Ag-1 的条件下，BOPC 在循环3000次后仍能保持 80% 的容量保持率。此外，钾储存动力学分析表明，BOPC的容量贡献主要来自表面电容行为。最后，还组装了一个完整的电池，以评估其稳定性和速率性能。这项工作证明了将树皮转化为PIB的高性能碳阳极的潜力，为利用废弃树皮提供了一种前景广阔的新方法。

文献：