Ice‐Templated, Sustainable Carbon Aerogels with Hierarchically Tailored Channels for Sodium‐ and Potassium‐Ion Batteries

材料科学 阳极 碳纤维 储能 化学工程 电极 离子 纳米技术 复合材料 化学 冶金 功率(物理) 物理 有机化学 物理化学 量子力学 复合数 工程类
作者
Jing Wang,Zhen Xu,Jean‐Charles Eloi,Maria‐Magdalena Titirici,Stephen J. Eichhorn
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (16) 被引量:151
标识
DOI:10.1002/adfm.202110862
摘要

Abstract Sodium‐ion batteries (SIBs) and potassium‐ion batteries (PIBs) are prospective candidates for large‐scale energy storage systems cause of their abundant resources. However, unsatisfactory rate and cycling performance of carbon‐based anodes present a bottleneck for the applications of SIBs/PIBs due to the large sizes of sodium/potassium ions. Herein, oxygen‐doped vertically aligned carbon aerogels (VCAs) with hierarchically tailored channels are synthesized as anodes in SIBs/PIBs via a controllable unidirectional ice‐templating technique. VCA‐3 (cooling rate of 3 K min−1) delivers the highest reversible capacity of ≈298 mAh g−1 at 0.1 C with an excellent cycling performance over 2000 cycles at 0.5 C for SIBs, while VCA‐5 manifests a superior capacity of ≈258 mAh g−1 at 0.1 C with an 82.7% retention over 1000 cycles at 0.5 C for PIBs. Moreover, their full cells demonstrate the promising potential of VCAs in applications. This novel controllable ice‐templating strategy opens unique avenues to tune the construction of hollow aligned channels for shortening ion‐transport pathways and ensuring structural integrity. New insights into structure‐performance correlations regulated by the cooling rates of an ice‐templating strategy and design guidelines for electrodes applicable in multiple energy storage technologies are reported.
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