NML研究文章｜氮、磷共掺石墨烯：全碳基锂/钾离子电容器负极材料

2  氮、磷共掺杂石墨烯作为锂/钾离子电池负极材料展示出良好的倍率性能和出色的循环稳定性。

3  将氮、磷共掺杂石墨烯与活性炭组装成锂/钾离子电容器时，该器件具有优异的循环稳定性。

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，已广泛应用于各种便携式电子设备和电动车中。然而，有限的锂资源将导致锂离子电池的生产成本逐渐上升。

最近，钾离子电池因其低成本和低氧化还原电位（K⁺/K = -2.931 V）已经成为下一代大规模能源存储系统的新的备选方案。但是，锂离子电池和钾离子电池都存在功率密度低和循环性能不理想的问题。

金属离子电容器作为一种新型电容-电池混合储能器件由于在实现高功率密度的同时还可以保障能量密度，而吸引了广泛的关注。影响金属离子电容的关键之一则是电池型电极材料的电化学性能。

石墨烯具有大表面积、优异的导电性和稳定性，展示出了优异的电化学性能。近年来，理论和实验研究都表明通过杂原子掺杂可以进一步调整电子结构和增强离子储存性能。因此，杂原子掺杂石墨烯成为了锂/钾离子电容器的潜在的电池型电极材料。

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哈尔滨工程大学曹殿学教授课题组利用一步电弧放电法，以(NH₄)₃PO₄为固体氮、磷源，获得了2-6层的氮、磷杂原子共掺杂的石墨烯负极材料。

该材料具有导电性好和层间距大的特点。当氮、磷共掺石墨烯分别作为锂离子电池和钾离子电池负极材料时，均表现出良好倍率能力和稳定的循环性能，为构建高性能离子电容器奠定了基础。

为此，利用氮、磷共掺石墨烯作为负极和活性炭(AC)作为正极构筑了全碳基锂离子电容器和钾离子电容器。

这两种离子电容器均展示出了较高的能量密度和功率密度，同时兼具出色的循环稳定性。此工作为设计高性能的锂/钾离子电池或电容器提供了一种全新的策略方法。

氮、磷共掺石墨烯材料的制备

以(NH₄)₃PO₄作为固体氮磷源，在氢气和氩气气氛下，通过一步电弧放电的方法，制备出层数少、纯度高、性能优异的氮、磷共掺杂石墨烯。

图1 氮、磷共掺石墨烯电弧放电示意图及实物图。

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氮、磷共掺石墨烯的电化学性能

当作为锂离子电池负极材料时，氮、磷共掺石墨烯相比于单原子掺杂石墨烯和未掺杂得石墨烯材料，展示了更好的的倍率性能。

在1 A/g电流密度下，循环1000圈后，可逆比容量仍可以达到787 mAh/g。优异的电化学性能。可以归因于掺杂原子的协同效应，同时杂原子掺杂促进了锂离子在材料中的快速存储，使电池倍率性能和循环稳定性进一步提升。

图4 氮、磷共掺石墨烯在锂离子电池中性能测试：(a) CV 曲线；(b) 0.1A/g电流密度不同圈数的充/放电曲线；(c)不同电流密度下充放电曲线；(d) 不同样品不同电流密度下的倍率性能；(e) 1 A/g电流密度下循环性能；(f) 电化学阻抗。

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利用变扫速循环伏安测试，对氮、磷共掺石墨烯储锂/钾的行为进行了进一步研究。

图6说明氮、磷共掺石墨烯储锂/钾过程中，电容行为占主导作用，随着扫速的增加，电容占比率也随之增加，这使得材料展示出了优异的倍率性能。

图6 锂离子电池和钾离子电池的电容行为占比图：(a)和(d) CV 图；(b)和(e) 在扫速1 mV/s时电容行为占比率；(c)和(f) 在不同扫速下电容占比率 (a, b, c 代表LIBs，d, e, f 代表PIBs).

作者简介

曹殿学

（本文通讯作者）

教授

哈尔滨工程大学

材料科学与化学工程学院

黑龙江省“龙江学者”，“全球高被引学者”（ClarivateAnalytics）

主要研究方向：

燃料电池、锂钠离子电池、水系二次电池、超级电容器、石墨烯等新型二维纳米材料等的方面的研究。

E-mail：caodianxue@hrbeu.edu.cn

个人主页：

http://homepage.hrbeu.edu.cn/web/caodianxue

朱凯

（本文通讯作者）

讲师

哈尔滨工程大学

材料科学与化学工程学院

主要研究方向：

二次电池(碱金属离子电池，水系电池等)及其关键材料。

E-mail：kzhu@hrbeu.edu.cn

个人主页：

http://homepage.hrbeu.edu.cn/web/zhukai1

栾玉婷

（本文第一作者）

博士研究生

哈尔滨工程大学

材料科学与化学工程学院

主要研究方向：

石墨烯等新型二维纳米材料的制备

E-mail：luanyuting@sina.com