Construction of Carbon-Coated Cobalt Sulfide Hybrid Networks Inter-Connected by Carbon Nanotubes for Performance-Enhanced Potassium-Ion Storage
Xuehao Zeng, Huigang Tong, Shi Chen, Jian Lu, Changlai Wang, Jinwei Tu, Pengcheng Wang, and Qianwang Chen*
Because of its high theoretical capacity, transition metal sulfides have always been regarded as promising anode materials for potassium-ion batteries. However, it is difficult for us to make use of transition metal sulfides due to their low conductivity, poor ionic diffusivity, sluggish reaction kinetics and severe volume expansion. Here, we developed a novel carbon-coated CoSx@CNT material with carbon nanotubes inter-connected (CCS@CNT), which shows an excellent potassium storage performance with a specific capacity of 550 mA·h·g‒1 under the current of 50 mA·g‒1 and 296 mA·h·g‒1 at 1000 mA·g‒1. The carbon layer can effectively alleviate volume expansion during charging and discharging process. And this special structure of inter-connected hybrid networks with CNTs greatly improves the electron transport, ion diffusion coefficient and reaction kinetics of the material.Carbon | Cobalt |Sulfur | Potassium-ion batteries | Inter-connected hybrid networks
借助碳纳米管构建相互连接的杂化网络结构增强硫化钴的储钾性能作为与锂同一主族的碱金属钾，两者的物理化学性质相似，并且相较而言，钾的储量更丰富，这意味着低成本、高能量密度的钾离子电池（PIBs）有可能在大规模储能领域具有更好的应用前景，除此之外，PIBs还具有其他一些优点，比如在电解液中具有较小的斯托克斯半径，拥有更高离子迁移率和离子电导率，因此近些年来，关于钾离子电池电极材料的研究工作引起了国内外相关领域研究者的密切关注。
目前，在钾离子电池负极材料中，金属硫化物由于其具有较高的比容量和丰富的来源，成为钾离子电池大规模应用的理想负极材料，但是由于钾离子半径较大，易造成材料在充放电过程存在动力学迟缓、体积变化巨大以及循环稳定性差等问题，导致金属硫化物的容量优势没有得到充分利用。因此，迫切需要寻找一种结构合适，既能发挥金属硫化物理论比容量高的优点，又能保持良好循环稳定性的材料。
近日，中科大陈乾旺教授课题组报道了一种碳纳米管串联的钴基沸石咪唑盐骨架（ZIF67@CNT）衍生的具有杂化导电网络结构的碳包覆硫化钴材料 (CCS@CNT)作为钾离子电池负极材料。由碳纳米管构成的相互连接的杂化网络提高了材料电子导电性和钾离子扩散系数，改善了电极材料的反应动力学，使得硫化钴能够进行充分的反应，进而释放出高比容量，展现出良好的倍率性能，在50 mA·g‒1和1000 mA·g‒1下分别呈现出550 mAh·g‒1和296 mAh·g‒1的比容量。同时，碳层可以缓冲材料在循环过程中的体积变化，对于保持结构稳定、提升循环性能非常有帮助，在100 mA·g‒1下循环400圈之后依旧可提供444 mAh·g‒1的可逆比容量。这项工作为我们提供了一种通过将碳纳米管与金属有机框架化合物相串联作为前驱体，进而获得具有杂化导电网络结构的碳包覆金属硫化物复合材料的有效途径，展现出了在储能系统中应用过渡金属硫化物作为钾离子电池负极材料的前景。上述研究结果发表于Chin. J. Chem. 2022, 40, 1313—1320。该项工作得到了国家自然科学基金委的资助。
Left to Right: Pengcheng Wang, Huigang Tong, Xuehao Zeng, Qianwang Chen, Jinwei Tu, Changlai Wang, Shi Chen, Jian Lu陈乾旺教授简介：http://fnl.ustc.edu.cn/biography-zh-cn/
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