双碳封装限域策略构建高容量长循环稳定性锑基钾离子电池负极材料Sb@NC/rGO

针对锑(Sb)负极在钾离子电池(PIBs)中体积膨胀(～457%)导致容量衰减的问题，云南大学团队通过水热法-碳热还原技术，创新性构建了氮掺杂碳(NC)封装与还原氧化石墨烯(rGO)限域的双碳协同Sb@NC/rGO复合材料。该材料在100 mA g?1下循环100次仍保持341.3 mAh g?1容量，容量保留率达82.8%，为高稳定性PIBs负极设计提供新思路。

　　

随着全球清洁能源需求激增，钾离子电池(PIBs)因钾资源丰富、氧化还原电位(-2.93 V vs SHE)接近锂(-3.04 V vs SHE)，成为极具潜力的储能器件。然而，PIBs负极材料面临严峻挑战：石墨负极理论容量仅279 mAh g^?1且体积变化达60%，而高容量锑负极(Sb, 660 mAh g^?1)在合金化形成K₃Sb时会产生457%的体积膨胀，导致电极粉化失效。现有单碳结构策略难以同时解决Sb纳米颗粒团聚、体积效应和导电网络构建等关键问题。

云南大学物理与天文学院的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，通过创新性双碳策略成功制备Sb@NC/rGO复合材料。该工作采用水热法构建Sb₂S₃ NRs/rGO前驱体，经聚多巴胺包覆和高温碳化还原，最终获得NC封装Sb纳米棒与rGO限域的层级结构。关键技术包括：1) 水热法合成Sb₂S₃纳米棒/rGO复合前驱体；2) 聚多巴胺表面聚合实现氮掺杂碳包覆；3) 高温碳热还原同步实现Sb₂S₃向Sb的转化及碳材料石墨化。

【材料合成机制】
通过Sb³⁺与GO的静电吸附作用，水热过程中Sb₂S₃纳米棒沿GO片层定向生长。聚多巴胺包覆后高温处理，Sb₂S₃分解为Sb碎片并被NC封装，rGO片层则形成三维导电网络。

【电化学性能】
在100 mA g^?1电流密度下，Sb@NC/rGO首次放电容量达414.4 mAh g^?1，100次循环后保持341.3 mAh g^?1，容量保持率82.8%。500 mA g^?1高倍率下仍具有290.5 mAh g^?1容量，显著优于单一碳修饰材料。

【结论】
该研究通过NC封装抑制Sb纳米颗粒团聚，rGO限域缓冲体积变化，氮掺杂增加K⁺吸附位点，三重协同效应使材料兼具高容量与长循环稳定性。这种双碳策略为新型高稳定性PIBs负极设计提供了普适性方法，对推动钾离子电池实用化具有重要意义。