Mechanochemistry transforming high-surface-area coal-based activated carbon into densified carbon with optimized multi-scale structures for enhanced sodium/potassium ion storage

化学工程 材料科学 重量分析 碳纤维 阳极 吸附 氢气储存 活性炭 纳米技术 化学 复合材料 电极 有机化学 复合数 物理化学 合金 工程类
作者
Hua Wang,Fei Sun,Jiahui Dong,Dongyang Wu,Ping Hu,Hongquan Yang,Zhibin Qu,Kunfang Wang,Jihui Gao,Jianmin Gao
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier BV]
卷期号:475: 143579-143579 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2023.143579
摘要

Practical sodium/potassium-ion batteries require carbon anodes with both high gravimetric and volumetric performances, for which engineering carbon material with simultaneous high-density architecture and well-organized structures is the key. Herein, a simple and scalable strategy via a mechanochemistry process is developed to transform high-surface-area activated carbon into densified carbon with optimized multi-scale structures in term of greatly decreased ineffective pores, a shorten carbon lattice and modified carboxyl-dominant functional groups. In the mechanochemical process, the rearrangement of ineffective pores was achieved by high-energy collision and shear effects between grinding balls and particles, in which micropores were concentrated at ∼0.5 nm, followed by carboxylic modification on the fresh edges in air atmosphere (CO2). The reduced ineffective pores and enriched functional groups have improved reversibility and kinetics of Na/K ions storage in carbon matrix, resulting in large reversible capacities, excellent rate capabilities even at a high-loading mass of 5 mg·cm−2. Electrochemical kinetic analysis and ex-situ X-ray diffraction reveal the dominant capacitive storage mechanism for Na+, and theorical calculations demonstrate that the grafted carboxyl groups in carbon matrix promote Na+ reversible storage with multi-ion adsorption configuration, thus improving capacitive storage capacities. This work demonstrates the feasibility of transforming coal-based porous carbon into high-performance anode materials.
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