Citation: Tang Gong-ao, Mao Kun, Zhang Jing, Lyu Pin, Cheng Xueyi, Wu Qiang, Yang Lijun, Wang Xizhang, Hu Zheng. Hierarchical Nitrogen-doped Carbon Nanocages as High-rate Long-life Cathode Material for Rechargeable Magnesium Batteries[J]. Acta Chimica Sinica, 2020, 78(5): 444-450. doi: 10.6023/A20010011
分级结构氮掺杂碳纳米笼:高倍率长寿命可充电镁电池正极材料
English
Hierarchical Nitrogen-doped Carbon Nanocages as High-rate Long-life Cathode Material for Rechargeable Magnesium Batteries
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1. 引言
相对于锂而言, 镁具有储量丰富、价格低廉、充放电过程中无枝晶形成等优点, 且理论比容量较高(2205 mAh·g-1), 因此可充电镁电池(rMBs)被认为是非常有前景的下一代二次电池[1~3].发展可充电镁电池技术的关键之一是开发高性能的正极材料[4]. Chevrel相Mo6S8是首例通过Mg2+嵌入和脱嵌机制储镁的材料, 得益于Mo6S8离子骨架较小的极性和较大的离子通道, Mg2+能够进行可逆的嵌入-脱嵌反应, 表现出较好的循环性能[5].但Mo6S8的理论比容量仅为约120 mAh·g-1, 且制备不易[1].随后, 人们相继开发出系列Mg2+嵌入型储镁正极材料, 包括硅酸盐(MgMnSiO4[6, 7], MgCoSiO4[8]等)、层状过渡金属氧化物(V2O5[9, 10], MoO3[11]等)、硫化物(MoS2[12], TiS2[13]等)和碳化物(Mxene[14])等.但是, 这类正极材料的离子通道或层间距相对较窄, 且跟强极化的二价Mg2+离子存在较强的库伦相互作用, 使得Mg2+的固相扩散动力学过程较缓慢, 相应rMBs的倍率性能较差[15].最近, 基于氧化还原反应的转换型正极材料(如单质S、CuS等)因具有高理论比容量也获得了较多的关注, 但这类转换型材料存在导电性差、多硫化物易穿梭等问题, 通常表现出实际比容量较低、循环稳定性较差的储镁性能[16].
基于可充电镁电池中的电化学过程, 理想的储镁正极材料应具有以下特征:具有大的比表面积、丰富的储镁活性位点、高导电性、便于镁离子扩散的多孔结构及优异的结构和化学稳定性.碳基纳米材料因具有丰富微观结构、高导电性、高稳定性和可调的孔结构等特征成为重要的备选材料.例如, 具有丰富表面缺陷和含氧官能团的氧化石墨展现出优异的储镁性能, 其储镁容量源于碳材料表面的Mg2+离子电容行为及与溶剂的可逆界面反应[17].具备超高比表面积(3450 m2·g-1)和有序孔道结构(约1.2 nm孔径)的沸石模板碳也表现出了较好的倍率性能(90 mAh·g-1@600 mA·g-1)和循环稳定性(200圈@100 mA·g-1)[18].但氧化石墨存在重新堆垛而损失性能、沸石模板碳存在有序微孔孔道较长而难以达到高倍率等不足.近年来, 我们课题组发展的三维分级结构碳基纳米笼已成为先进能源转化和存储的多功能平台材料[19, 20], 其大的比表面积、微孔-介孔-大孔共存结构、短的微孔孔道、良好石墨化程度、高导电性和易掺杂(如氮)等特征有利于获得优异的电化学储能性能, 如高比容量、高倍率性能和长循环稳定性[21, 22].碳基纳米笼的这些特征能满足理想的储镁正极材料的要求.鉴于此, 本工作首次采用分级结构氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)作为rMBs的正极材料, 展现出较高的比容量、优异的倍率性能和循环稳定性.通过实验和理论研究揭示了镁离子在hNCNC微孔边缘的碳原子、吡啶氮或吡咯氮位点的电容型存储机制, 探讨了hNCNC的三维分级结构、浸润性及高稳定性等特点对其优异电化学储镁性能的贡献.本研究为新型高倍率长寿命的rMBs正极材料的开发提供了新的思路.
2. 结果与讨论
图 1为镁电池的结构示意图及hNCNC的形貌和结构表征. rMBs的正极为hNCNC, 负极为金属镁箔, 电解液为PhMgCl-AlCl3的THF溶液(APC), 隔膜为Whatman(GF/A)玻璃纤维膜(图 1a)[15].电化学性能测试结果显示APC电解液具有高效的镁沉积/溶解性能(图S1). hNCNC正极的形貌跟我们之前的报道类似[23], 扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表明hNCNC是由尺寸为10~20 nm的纳米笼相互连接而成纳米片, 进而由纳米片组装而成的三维分级结构微米球(图 1b~图 1d). hNCNC具有大比表面积、高导电性和微孔-介孔-大孔相连的多级孔道结构, 纳米笼壁上有丰富的约0.6 nm的微孔(图 1e)[19]. hNCNC的比表面积和微孔体积分别是1590 m2·g-1和0.63 cm3·g-1, 体相电导率为41 S·m-1(表S1). XPS测试表明hNCNC中富含吡啶氮(N1, 约398.2 eV)、吡咯氮(N2, 约399.4 eV)、石墨氮(N3, 约400.9 eV)和吡啶氮氧化物(N4, 约404.1 eV)[21, 23]; 总氮掺杂量达9.16 at.%, 其中吡啶氮和吡咯氮的含量之和为4.49 at.%(图 1f, 图S2).为了对比, 本工作还采用未掺杂分级结构碳纳米笼(hCNC)和碳纳米管(CNT)作为rMBs的正极材料.其中, hCNC与hNCNC具有相似的形貌、相近的比表面积及孔分布特征(图S3, 表S1); CNT呈现相互交织缠绕的形貌特征(图S4), 其比表面积和微孔体积分别为145 m2·g-1和0.05 cm3·g-1, 显著低于hNCNC和hCNC(表S1). hCNC和CNT的体相电导率分别为381和1090 S·m-1 (表S1), 均显著大于hNCNC.
图 1
图 1. 可充电镁电池的结构示意图和hNCNC的形貌与结构表征. (a) hNCNC||APC||Mg电池结构示意图. (b~d) hNCNC的SEM (b)和TEM (c, d)照片. (e) N2吸-脱附等温线, 内插图为孔分布曲线. hCNC和CNT的结果也显示在图中, 以便比较. (f) hNCNC的N1s精细谱Figure 1. Cell structure of rMBs and the morphology and structure characterizations of hNCNC. (a) Schematic illustration of hNCNC||APC||Mg battery. (b) SEM and (c, d) TEM images of hNCNC. (e) N2 adsorption/desorption isotherms of hNCNC, hCNC and CNT. Inset is the corresponding pore size distributions. (f) N1s XPS spectrum of hNCNC图 2为hNCNC的储镁性能测试结果, 同时给出hCNC和CNT的储镁性能以便比较.循环伏安(CV)测试(0.2 mV·s-1)显示hNCNC、hCNC和CNT均展现出准矩形的响应曲线(图 2a), 类似于双电层电容器的充放电特征, 表明在这三种碳正极上的Mg2+离子存储和释放均遵循表面电容行为.在放电和充电的起始处均出现电势的突变, 来自电极材料的极化[17, 18]; 其变化幅度的规律为hNCNC<hCNC<CNT, 表明使用hNCNC正极可减小rMBs的过电势.此外, hNCNC在约0.6 V(充电)处出现一个小氧化峰(图 2a, 图S5), 可能来自吡啶氮氧化物与电解液中THF的反应[17].测试了hNCNC、hCNC和CNT在100 mA·g-1时的充放电性能(图 2b, 图S6), 其中hNCNC的首圈放电比容量为83 mAh·g-1, 在循环300圈后仍保留66 mAh·g-1的比容量; hCNC的首圈放电比容量为73 mAh·g-1, 在300圈后仅保留46 mAh·g-1, 说明hNCNC的比容量和循环稳定性均优于hCNC.考虑到hNCNC和hCNC的相近比表面积和孔结构, 前者的更优性能可能源于N掺杂, 与氮掺杂提升碳基电极的储Li+、Na+、H+和OH-性能的情况类似[21, 24~26].相对地, 在100 mA·g-1下CNT的放电比容量只有约6 mAh·g-1, 这主要是因为CNT的小表面积与微孔体积减少了Mg2+离子的吸附.随循环进行, hNCNC和hCNC的库伦效率呈上升趋势, 达到约95%.在循环初始阶段hNCNC的库伦效率略低于hCNC, 与氮氧官能团跟THF的反应有关[17]. NCNC在不同电流密度下的充放电曲线均呈准直线特征(图 2c), 进一步表明其电容型储镁机理.值得注意的是, 相对于hCNC, hNCNC的充放电曲线具有更小的IR降, 与CV测试结果一致; 而且, 随着电流密度的增加, hNCNC的IR降表现出更慢的增长趋势(图S7), 这说明了N掺杂有效地抑制了碳基纳米笼在大倍率下的极化作用.倍率性能测试表明(图 2d), 当电流密度从100 mA·g-1增加到2000 mA·g-1, hNCNC的放电比容量从71 mAh·g-1只下降到60 mAh·g-1, 比容量保留率高达85%;当回到100 mA·g-1时hNCNC的放电比容量也恢复到69 mAh·g-1, 表明其具有优异的倍率性能, 显著优于文献报道的氧化物(Mn3O4)、硫化物(Mo6S8, MoS2)和碳化物(Ti3C2Tx)等rMBs正极材料(图S8). hCNC在100 mA·g-1下的稳定放电比容量为54 mAh·g-1, 2000 mA·g-1下的比容量为42 mAh·g-1, 容量保留率相对较低(78%). 图 2e为hNCNC在1000 mA·g-1下的循环测试结果, 在1000圈长循环后仍保留58 mAh·g-1的比容量(容量保留率83%), 且库伦效率稳定在约100%.循环后的SEM和TEM照片显示, hNCNC很好地保留了三维分级结构和纳米笼结构单元(图S9a, 图S9b), 表明稳定的碳骨架结构使其具有优异的循环稳定性.此外, 经过长循环后, 尽管金属镁负极的表面变得疏松多孔, 但没有观察到枝晶(图S10a, 图S10b)[27, 28], 这也是保证hNCNC基rMBs长循环寿命的原因之一.
图 2
图 2. rMBs电化学性能. (a) hNCNC、hCNC及CNT在0.2 mV·s-1扫速下的CV曲线. (b) 100 mA·g-1下的循环性能. (c) hNCNC在不同电流密度下的充放电曲线. (d) hNCNC与hCNC的倍率性能. (e) hNCNC在1000 mA·g-1大电流密度下的长循环性能Figure 2. Electrochemical performances of rMBs. (a) CV curves of hNCNC, hCNC and CNT. Scan rate: 0.2 mV·s-1. (b) Cycling performances at 100 mA·g-1. (c) Discharge/charge profiles of hNCNC at typical current densities. (d) Rate capabilities of hNCNC and hCNC. (e) Cycling stability of hNCNC at 1000 mA·g-1通过变速CV扫描测试评估hNCNC储镁容量中电容行为的贡献, 结果如图 3所示.通常情况下, 不同扫速下响应电流随扫描速率的变化满足: i=avb或log i=blog v+log a[29], 当b=0.5时储能过程受扩散控制, 当b=1.0时储能过程为电容行为. 图 3b为不同电位下拟合出的b值, 均大于0.8, 且放电阶段的b值非常接近1.0, 表明hNCNC正极中Mg2+离子的电荷存储是由电容行为主导的, 同时也伴随着溶剂(THF)与hNCNC的少量界面反应[17]. 图 3c为hNCNC在0.5 mV·s-1下CV曲线及电容贡献所占面积, 表明电容贡献比率在0.5 mV·s-1下为88.1%, 且随着CV扫速增加而上升(图 3d).上述结果表明, hNCNC的储镁性能主要来自Mg2+离子的静电吸附/脱附的表面电容行为.相对于一些固相扩散过程控制的嵌入型储镁正极材料, 这种基于表面电容吸附行为的电荷存储机制有效地提升了rMBs的倍率性能和长循环稳定性.
图 3
图 3. hNCNC的储镁动力学分析. (a) hNCNC在不同扫速下的CV曲线. (b)不同电位下b值拟合结果.内插图为log i与log v的线性拟合图. (c) hNCNC在0.5 mV·s-1扫速下的电容贡献(阴影). (d)电容贡献随扫速的演变Figure 3. Quantitative kinetic analysis of hNCNC electrode. (a) CV curves at the scan rates of 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 and 1.0 mV·s-1. (b) Calculated b-values as a function of potential. Inset is the examples of linear fitting of log i versus log v, where the b-values are the slopes. (c) Extracted capacitive contribution (shaded area) of CV curve at 0.5 mV·s-1 as an example. (d) Ratios of the capacitive-controlled capacity versus scan rates电化学测试结果表明: hNCNC的储镁性能优于hCNC, N掺杂是导致性能差异的主要原因.为了揭示hNCNC中镁离子的吸附位点, 采用密度泛函理论(DFT)计算了电解液镁离子在不同sp2碳构型上的吸附能(Ead), 结果示于图 4中.基于碳基纳米笼和CNT的结构, 选用了带约0.6 nm微孔的石墨平面、微孔边缘含吡啶氮(N1)、微孔边缘含吡咯氮(N2)、石墨平面嵌石墨氮(N3)、石墨平面等典型构型(图 4).根据文献报道, 在APC(PhMgCl-AlCl3-THF)电解液中, 高度溶剂化的镁离子[Mg2(μ-Cl)3·6THF]+主导离子传导, 当靠近电极表面时会去溶剂化形成[MgCl·2THF]+[31, 32], 因此我们选用[MgCl·2THF]+作为吸附离子. DFT计算结果显示, 在光滑石墨平面上, [MgCl·2THF]+的吸附极弱(不成键, Ead=3.26 eV), 对比容量的贡献极小.嵌石墨氮(N3)的石墨平面与光滑石墨平面的情况类似, 与[MgCl·2THF]+的相互作用较弱(Ead=2.69 eV).对于带微孔的石墨平面, 其对[MgCl·2THF]+的吸附能为-3.00 eV, [MgCl·2THF]+与微孔边缘C原子的距离为0.228 nm, 可见丰富的微孔缺陷是hCNC的储镁活性远大于CNT的主要原因.当微孔边缘掺杂了吡啶氮(N1)或吡咯氮(N2)时, [MgCl·2THF]+的吸附能分别为-3.61和-2.99 eV.其中, 吡啶氮(N1)、吡咯氮(N2)与[MgCl·2THF]+的距离分别为0.2116和0.2235 nm.该结果表明, 在hNCNC和hCNC的微孔数量相近(表S1)的情况下, hNCNC中吡啶氮(N1)和吡咯氮(N2)的存在(图 1f, 4.49 at.%)增加了储镁活性位点的数量, 使得hNCNC的比容量高于未掺杂的hCNC.
图 4
图 4. DFT计算不同构型对于电解液镁离子的吸附能变化.选用的5种构型为带约0.6 nm微孔的石墨平面、微孔边缘含吡啶氮(N1)、微孔边缘含吡咯氮(N2)、石墨平面嵌石墨氮(N3)和石墨平面Figure 4. DFT calculations of the adsorption energy of solvated Mg2+ ions on the five typical configurations: graphite plane with micropore (ca. 0.6 nm), micropore edge decorated by pyridinic N, micropore edge decorated by pyrrolic N, graphitic N embedded in graphite plane and pristine graphite plane理论计算结果表明, 在热力学上吡啶氮和吡咯氮杂原子提供了镁离子的吸附位点, 提升了储镁比容量.在动力学上, 氮掺杂也有助于提升储镁性能(图 5).对电解液(PhMgCl-AlCl3-THF)在hNCNC和hCNC表面的浸润性进行了测试(图 5a), 在电解液液滴与碳材料接触的一瞬间, hNCNC (θ=25°)相较于hCNC (θ=34°)拥有更小的接触角, 且10 s之内电解液已完全浸润hNCNC表面, 而hCNC表现出较慢的浸润速率, 说明N掺杂有效改善了电解液的浸润性. hNCNC与hCNC在1 A·g-1下循环500圈后的Nyquist曲线显示(图 5b), 在高频区和中频区各有一个半圆, 分别对应于固态电解质膜(SEI)的阻抗(Rf)和电荷转移电阻(Rct). Nyquist曲线拟合结果表明hNCNC与hCNC具有相近的Rf, 但hNCNC的Rct更小(表S2).低频区斜线对应于电解液Mg2+离子在电极界面处的Warburg扩散阻抗(Zw), 其斜率跟Mg2+离子的扩散系数有关, 对Z'与ω-1/2(ω=2πf, f是频率值)进行线性拟合可得到Warburg扩散因子σ (即直线的斜率), hNCNC的斜率为183 Ω·s-1/2, 显著低于hCNC的330 Ω·s-1/2 (图 5c).根据离子扩散系数公式(公式S1)计算得到Mg2+离子在hNCNC和hCNC中的扩散速率D分别为6.71×10-13和2.09×10-13 cm2·s-1, 表明Mg2+离子在hNCNC中的扩散速率比在hCNC中更快(约提升3.2倍).上述结果表明hNCNC具有相对小的等效串联电阻和更高的Mg2+离子扩散速率, 这主要是N掺杂改善了hNCNC正极对电解液的浸润性, 增加了有效表面积, 同时降低了等效串联电阻, 从而提升了其储镁比容量和倍率性能.
图 5
图 5. 电极材料浸润性和电池电化学交流阻抗测试. (a) hNCNC和hCNC的电解液动态接触角测试. (b) hNCNC与hCNC基rMBs在1000 mA·g-1电流密度下循环500圈后的Nyquist曲线.上插图为等效电路[30], 下插图为高频区的局部放大图. (c)低频区Z'-ω-1/2的线性拟合曲线, 斜率为Warburg扩散系数σFigure 5. Wettability measurement of cathodes and electrochemical impedance spectroscopies (EIS) of rMBs. (a) Dynamic contact angle measurements for hNCNC and hCNC with the electrolyte (0.4 mol·L-1 PhMgCl-AlCl3-THF). (b) The Nyquist plots of hNCNC- and hCNC-based rMBs after 500 cycles at 1000 mA·g-1. Frequency region: 100 kHz~0.1 Hz. The upper inset is the equivalent circuit and the lower inset is the enlargements in the high-frequency region. (c) Z'-ω-1/2 curves in the low-frequency region. The slopes are corresponding to the Warburg coefficient σ3. 结论
以比表面积大、微孔-介孔-大孔共存的分级结构hNCNC作为可充电镁电池的正极材料, 在100 mA·g-1时放电比容量达到71 mAh·g-1, 在2000 mA·g-1的高电流密度时仍可保留60 mAh·g-1的比容量, 在1000 mA· g-1大电流密度下稳定循环1000圈之后的放电比容量保留为58 mAh·g-1, 其库伦效率稳定在约100%.其中, 储镁比容量的变化规律为hNCNC>hCNC>>CNT, 源于hCNC表面的微孔提供了镁离子吸附的位点, 而hNCNC表面的微孔和氮掺杂协同促进了镁离子的吸附, 有效提升了储镁比容量. hNCNC比hCNC具有高的放电比容量和倍率性能, 可归因于吡啶氮和吡咯氮对镁离子的吸附作用, N掺杂改善了电极材料的浸润性, 增加了有效表面积, 降低了等效串联电阻. hNCNC的分级多孔结构和高的导电性有利于电解液和电子的输运, 从而表现出优异的倍率性能. hNCNC在介观尺度下的坚固、稳定碳骨架构型以及表面电容储镁机制使其展现出杰出的长循环稳定性.这项研究可为开发高倍率长寿命的储镁正极材料提供新的思路, 例如构筑具有丰富缺陷和高掺杂量的碳基多孔纳米材料.
4. 实验部分
4.1 材料
采用本课题组发展的原位MgO模板法制备hNCNC和hCNC[21], 所用碳源分别为吡啶和苯. CNT从先丰纳米材料科技有限公司购买得到, 型号为XFM25.
4.2 材料表征
采用扫描电镜(SEM, Hitachi S4800, operating at 5.0 kV)、透射电镜(HRTEM, JEM-2100, operating at 200 kV)和X射线光电子能谱(XPS, ULVAC-PHI INC, PHI 5000 VersaProbe, Al Kα)表征样品的形貌和成分.在Thermo Fisher Scientific Surfer Gas Adsorption Porosimeter上测试样品的氮气吸/脱附等温线(77 K), 样品在300 ℃下预活化6 h, 比表面积采用Brunauer-Emmett-Teller (BET)计算得到.通过四线法在Keithley 6430上测量样品的电导率.在德国DataPhysics仪器公司的OCA 30型接触角测量仪上测试电解液的动态接触角.
4.3 电解液的配制
实验中采用的APC(PhMgCl-AlCl3-THF)电解液的配制流程如下[33]:在搅拌条件下将0.5334 g无水氯化铝(AlCl3, Sigma-Aldrich, 99.999%)缓慢添加到6 mL的无水四氢呋喃(THF, ≥99.9%, Sigma-Aldrich)中, 形成AlCl3-THF溶液; 随后将4 mL苯基氯化镁(PhMgCl)的THF溶液(2 mol·L-1, Sigma-Aldrich)逐滴加入到上述AlCl3-THF溶液之中, 经过48 h的持续搅拌最终得到所需的电解液, 其中镁离子浓度为0.4 mol·L-1.上述电解液配制过程在无水无氧(O2<0.001‰, H2O<0.001‰)的氩气手套箱中完成.
4.4 电池组装和性能表征
将碳材料(hNCNC、hCNC或CNT)、聚偏氟乙烯(PVDF)、导电乙炔黑(AB)按照8:1:1的质量比加入适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌混合, 用刮刀将电极浆料均匀涂抹在圆形碳纸表面, 置于真空烘箱中70 ℃干燥.以抛光后的金属镁片为对电极, 以上述APC为电解液, 以Whatman(GF/A)玻璃纤维膜为隔膜, 在无水无氧的氩气手套箱中组装成CR2032型扣式电池.在NEWARECT3008多通道电池测量仪上采用恒电流充放电法测试电池性能, 充放电电压窗口为0.2~2.0 V; 在倍率测试之前, 电池先在100 mA·g-1下活化50圈; 在VMP3电化学工作站上(Bio-Logic)测试循环伏安曲线和交流阻抗谱, 后者的频率范围为100 kHz~0.1 Hz, 振幅为5.0 mV.
4.5 理论模拟
DFT计算使用Materials Studio 17.1中的DMol3软件包[34].应用广义梯度校正的交换关联函数(PBE/GGA)[35]以及包括p-极化函数(DNP)在内的双数值基础集进行几何优化和振动分析. hNCNC和hCNC的核心处理方法是利用单个有效势替代内核电子, 并引入相对论矫正.使用色散校正的DFT(DFT-D)方案来描述范德华(vDW)相互作用.在坐标松弛过程中, 能量和力的收敛分别为1×10-5 Ha和0.02 Ha·nm-1, 最大位移为5×10-4 nm.经过收敛测试后, 全局轨道截止值设为0.5 nm.
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图 1 可充电镁电池的结构示意图和hNCNC的形貌与结构表征. (a) hNCNC||APC||Mg电池结构示意图. (b~d) hNCNC的SEM (b)和TEM (c, d)照片. (e) N2吸-脱附等温线, 内插图为孔分布曲线. hCNC和CNT的结果也显示在图中, 以便比较. (f) hNCNC的N1s精细谱
Figure 1 Cell structure of rMBs and the morphology and structure characterizations of hNCNC. (a) Schematic illustration of hNCNC||APC||Mg battery. (b) SEM and (c, d) TEM images of hNCNC. (e) N2 adsorption/desorption isotherms of hNCNC, hCNC and CNT. Inset is the corresponding pore size distributions. (f) N1s XPS spectrum of hNCNC
图 2 rMBs电化学性能. (a) hNCNC、hCNC及CNT在0.2 mV·s-1扫速下的CV曲线. (b) 100 mA·g-1下的循环性能. (c) hNCNC在不同电流密度下的充放电曲线. (d) hNCNC与hCNC的倍率性能. (e) hNCNC在1000 mA·g-1大电流密度下的长循环性能
Figure 2 Electrochemical performances of rMBs. (a) CV curves of hNCNC, hCNC and CNT. Scan rate: 0.2 mV·s-1. (b) Cycling performances at 100 mA·g-1. (c) Discharge/charge profiles of hNCNC at typical current densities. (d) Rate capabilities of hNCNC and hCNC. (e) Cycling stability of hNCNC at 1000 mA·g-1
图 3 hNCNC的储镁动力学分析. (a) hNCNC在不同扫速下的CV曲线. (b)不同电位下b值拟合结果.内插图为log i与log v的线性拟合图. (c) hNCNC在0.5 mV·s-1扫速下的电容贡献(阴影). (d)电容贡献随扫速的演变
Figure 3 Quantitative kinetic analysis of hNCNC electrode. (a) CV curves at the scan rates of 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 and 1.0 mV·s-1. (b) Calculated b-values as a function of potential. Inset is the examples of linear fitting of log i versus log v, where the b-values are the slopes. (c) Extracted capacitive contribution (shaded area) of CV curve at 0.5 mV·s-1 as an example. (d) Ratios of the capacitive-controlled capacity versus scan rates
图 4 DFT计算不同构型对于电解液镁离子的吸附能变化.选用的5种构型为带约0.6 nm微孔的石墨平面、微孔边缘含吡啶氮(N1)、微孔边缘含吡咯氮(N2)、石墨平面嵌石墨氮(N3)和石墨平面
Figure 4 DFT calculations of the adsorption energy of solvated Mg2+ ions on the five typical configurations: graphite plane with micropore (ca. 0.6 nm), micropore edge decorated by pyridinic N, micropore edge decorated by pyrrolic N, graphitic N embedded in graphite plane and pristine graphite plane
图 5 电极材料浸润性和电池电化学交流阻抗测试. (a) hNCNC和hCNC的电解液动态接触角测试. (b) hNCNC与hCNC基rMBs在1000 mA·g-1电流密度下循环500圈后的Nyquist曲线.上插图为等效电路[30], 下插图为高频区的局部放大图. (c)低频区Z'-ω-1/2的线性拟合曲线, 斜率为Warburg扩散系数σ
Figure 5 Wettability measurement of cathodes and electrochemical impedance spectroscopies (EIS) of rMBs. (a) Dynamic contact angle measurements for hNCNC and hCNC with the electrolyte (0.4 mol·L-1 PhMgCl-AlCl3-THF). (b) The Nyquist plots of hNCNC- and hCNC-based rMBs after 500 cycles at 1000 mA·g-1. Frequency region: 100 kHz~0.1 Hz. The upper inset is the equivalent circuit and the lower inset is the enlargements in the high-frequency region. (c) Z'-ω-1/2 curves in the low-frequency region. The slopes are corresponding to the Warburg coefficient σ
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