Adv. Energy Mater. : 低缺陷低孔隙度硬碳用于高庫侖效率高容量鈉離子電池負極

【引言】

由于具有良好的成本效益和電化學穩定性，碳基材料作為鈉離子電池的負極材料前景誘人。其中硬碳已作為鈉離子電池的負極材料進行了深入研究。硬碳可通過各種含碳物質產生，包括生物質(如纖維素、花生殼、香蕉和柚子皮)以及有機聚合物(如酚醛樹脂、聚苯胺、聚乙烯)。然而，上述硬碳材料的應用很大程度上受到了低初始庫侖效率(ICE)的限制。研究人員已廣泛研究了熱解溫度對硬碳的微觀結構以及電化學性能的影響。一般來說，隨著熱處理溫度的增加，石墨化程度隨之提升，使得硬碳的表面積和孔隙度降低，同時缺陷的含量也有所降低。硬碳的表面積(孔隙度)和缺陷含量是影響其電化學性能的重要因素，這些電化學性能包括可逆容量、操作電壓和初始庫侖效率。

【成果簡介】

近日，美國太平洋西北國家實驗室Liu Jun博士、武漢大學曹余良教授(共同通訊作者)等系統地調控具有相似整體架構硬碳的缺陷含量和孔隙度，并在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Low-Defect and Low-Porosity Hard Carbon with High Coulombic Efficiency and High Capacity for Practical Sodium Ion Battery Anode”的研究論文。該工作提出石墨層中的缺陷與ICE直接相關，缺陷會捕獲鈉離子并產生排斥其他鈉離子的電場，降低了低壓插層容量。所得低缺陷和孔隙度的硬碳電極獲得了高達86.1%的ICE(純硬碳材料導電炭黑為94.5%)，其可逆容量為361mAh·g^-1，循環穩定性良好(100次循環后容量保留93.4%)。該工作揭示了可行的高性能儲鈉硬碳設計原則，即合適的碳層距離以及無缺陷的石墨層。
[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Liu Jun的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]

【圖文簡介】

圖1 硬碳材料的形貌

a) HC-5(即以5℃·min^-1升溫至1300℃)的HRTEM圖像；

b) HC-2(即以2℃·min^-1升溫至1300℃)的HRTEM圖像；

c) HC-1(即以1℃·min^-1升溫至1300℃)的HRTEM圖像；

d) HC-0.5(即以0.5℃·min^-1升溫至1300℃)的HRTEM圖像。

圖2 硬碳材料的相關表征

a) 硬碳材料的XRD譜圖；

b) 硬碳材料的Raman光譜；

c) 硬碳材料的氮氣吸-脫附曲線；

d) 硬碳材料的I_D/I_D + I_G和比孔容。

圖3 硬碳材料的首圈充-放電曲線

HC-0.5、HC-1、HC-2和HC-5電極在20 mA·g^-1電流密度下的首圈充-放電曲線。

圖4 硬碳材料的循環性能

0.5℃·min^-1熱解所得硬碳材料在20 mA·g^-1電流密度下的循環性能。

圖5 恒電勢下鈉離子在碳層間的穩態分布

a) 鈉離子在無缺陷碳層間的分布；

b) 鈉離子在有缺陷的碳層間的分布。

【小結】

研究人員研究了石墨層的孔隙度和缺陷含量對硬碳材料電化學性能的影響。結果表明，平面缺陷較少的硬碳產物顯示出更高的首圈庫侖效率和可逆容量。理論模擬預測，碳層中的缺陷通過捕獲鈉離子并產生電場，破壞鈉離子占位的連續性。因此，該工作不僅進一步證實了先前提出的硬碳儲鈉“吸附-嵌入”機理，而且為研究缺陷對不可逆和可逆容量的影響提供了參考。上述基礎研究為發展用于鈉離子電池商業化的高容量和高ICE硬碳材料提供了實用的設計原則。

文獻鏈接：Low-Defect and Low-Porosity Hard Carbon with High Coulombic Efficiency and High Capacity for Practical Sodium Ion Battery Anode?(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703238)

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