硒辅助的N掺杂碳纳米纤维@Ge作为无粘结剂电极，用于先进的钾离子电池

《Journal of Energy Storage》：Selenium-assisted N-doped carbon nanofiber@Ge as binderless electrodes for advanced potassium-ion batteries

德国ium金属因其高理论容量、优异钾离子扩散动力学和电导率，成为钾离子电池电极材料的理想选择，但其体积膨胀问题制约应用。本研究通过电纺法结合硒粉原位还原制备了无粘结剂氮掺杂碳纳米纤维@德国ium（NC@Ge），有效缓解了体积膨胀并提升了导电性。嵌入碳纳米纤维的三维多孔网络增强了电极结构稳定性，在0.1 A g-1下循环300次容量保持318.3 mAh g-1，1 A g-1下循环900次容量仍达194.3 mAh g-1。密度泛函理论计算表明硒掺杂缺陷和氮碳杂结构显著提升了钾离子吸附能力。

　　

Youming Peng|Xin Liu|Yuanhao Qi|Zihao Wang|Jiaojiao Liang|Di Huang|Yuehua Wei

湖南工业大学，中国株洲412008

摘要

由于锗具有较大的理论容量、优异的钾离子扩散速率和较高的电子导电性，因此作为钾离子电池（PIBs）的电极材料展现出巨大潜力。然而，锗显著的体积膨胀会导致充放电过程中容量迅速衰减，从而限制了其在PIBs中的应用。在本研究中，我们通过使用硒粉对GeO₂进行原位还原，成功制备了柔性的N掺杂碳纳米纤维@锗（NC@Ge）复合材料，从而缓解了钾化过程中的体积膨胀并提高了其导电性。此外，嵌入碳纳米纤维中的金属锗颗粒形成了多维网络，增强了电极结构的稳定性。这种无粘结剂的NC@Ge在0.1 A g^?1的恒定电流下经过300次充放电循环后仍保持318.3 mAh g^?1的显著容量。在1 A g^?1?1

引言

近年来，经济的快速增长显著增加了化石燃料的消耗，促使人们更加关注可持续能源解决方案。然而，可再生能源的整合面临诸多挑战，如能源供应的间歇性、对中断的敏感性、地域限制以及对环境因素的依赖[[1], [2], [3], [4]]。尽管锂离子电池因其高能量密度而成为主流储能设备，但锂的稀缺性和全球分布不均引发了可持续性担忧[5]。

钾离子电池（PIBs）由于钾的丰富性和良好的电化学性质（包括比锂更快的离子扩散速度）而被视为有前景的替代品[6,7]。基于碳的电极材料因具有优异的导电性、低成本和可回收性而在PIBs中得到了广泛研究。然而，由于K⁺较大的离子半径，这些材料的实际应用受到特定容量有限和插层动力学缓慢的阻碍[8,9]。为了克服这些问题，元素掺杂已被证明可以显著提高碳材料的性能[10,11]。此外，金属/碳复合材料通过减轻体积膨胀问题，表现出较高的理论容量和更好的循环稳定性[12,13]。

锗（Ge）以其高理论容量（369 mAh g^?1）、优异的钾离子扩散动力学和高的电导率而备受关注[14,15]。然而，循环过程中的严重体积变化会导致容量迅速衰减。构建锗/碳复合材料可以有效解决这一问题，但传统的合成方法通常需要昂贵的前驱体。此外，对柔性电子产品的日益增长的需求进一步凸显了柔性储能材料的重要性，尤其是柔性碳纳米纤维网络[[16], [17], [18]]。

在这项工作中，我们采用了一种简单的静电纺丝和硒粉原位还原方法，制备出了柔性的N掺杂碳纳米纤维@锗（NC@Ge）。这种无粘结剂的NC@Ge电极在0.1 A g^?1?1?1

结果与讨论

图1展示了无粘结剂电极用柔性NC@Ge的合成示意图。该材料通过一种简单易操作的静电纺丝方法制备，将硒粉（Se）直接加入由PAN、NMP和GeO₂组成的静电纺丝悬浮液中。在退火过程中，硒粉将GeO₂原位还原为纳米级锗，使其嵌入到N掺杂的碳纳米纤维基质中。

结论

通过使用硒粉对GeO₂进行静电纺丝和原位还原，成功制备了无粘结剂的N掺杂碳纳米纤维@Ge电极，该电极在钾离子电池中表现出出色的循环性能和倍率性能。这种方法不仅促进了纯锗的形成，还为N掺杂的碳基质引入了丰富的缺陷位点，从而增强了钾离子的吸附能力，并改善了循环稳定性和倍率性能。

作者贡献声明

Youming Peng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据可视化，验证，形式分析，数据管理，概念构思。Xin Liu：撰写 – 审稿与编辑。Yuanhao Qi：撰写 – 审稿与编辑。Zihao Wang：撰写 – 审稿与编辑。Jiaojiao Liang：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目管理，方法学研究，资金获取，概念构思。Di Huang：撰写 – 审稿与编辑。Yuehua Wei：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

不存在需要声明的利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：62304198）、湖南省自然科学基金（编号：2024JJ5127和2025JJ60432）以及湖南省教育厅（编号：24A0421）的支持。