湖南大學Adv. Energy Mater.：軟碳首次用作鈉基雙離子全電池負極材料，比容量可達103 mAh?g-1

【引言】

當今可充電電池體系中，雙離子電池 (DIBs) 以其高容量、低成本等優點，在電池領域備受關注。目前，對于DIBs正極材料，如石墨、MOF、碳黑等已有了不少報道。同時，尋求一種離子尺寸適宜、低成本的陽離子來代替傳統的鋰離子，對于DIBs而言也非常重要。在自然界中，鈉離子含量豐富，但離子半徑比鋰離子稍大，在石墨中的嵌入、脫嵌性能較差，因而目前關于鈉基雙離子電池 (NDIBs) 的研究依然局限于半電池層面。此外， NDIBs負極材料的報道也是較為罕見，因此其負極材料的設計原理依然有待探索。

【成果簡介】

最近，湖南大學魯兵安教授和許志教授（共同通訊作者）在Adv. Energy Mater.上聯合發表了一篇名為“Soft Carbon as Anode for High-Performance Sodium-Based Dual Ion Full Battery”的文章。本文中，研究人員首次采用軟碳(soft carbon, SC)作為NDIBs的負極材料進行電池組裝—— SC (負極)| 1 M NaPF₆ EC:DMC (6:4, v/v) (電解質)| 石墨 (正極)。經充發電測試，首次放電容量可達103 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的電流密度下，放電電壓平臺大約為3.58 V; 在1000 mA·g^-1的電流密度下，800個充放電循環后，比容量依然可達54 mAh·g^-1。為第二次放電容量(66.0 mAh·g^-1)的81.8%，此外，該電池還具備優越的充放電倍率(200-2000 mA·g^-1)。

【圖文導讀】

圖1? 軟碳(SC)材料的形貌及結構表征

a-b) ?TEM和HRTEM表征圖像；

c-d) ?XRD、拉曼圖譜；

e) 高分辨 C 1s XPS 譜線；

f) N₂的等溫吸附曲線，插圖為孔徑分布圖；

g-i) ?DES元素分布譜圖：(h) C，(i) O；

圖2? NDIBs電化學性能測試

a) 5 mV·s^-1掃描速率下的CV曲線；

b) 充放電曲線，插圖為對應的dQ/dV 曲線；

c) 各個充電截斷電壓(4.3-4.75 V)下的循環曲線；

d) 各個放電截斷電壓(3.0-1.0 V)下的循環曲線；

e-f) ?2.0-4.7 V截斷電壓下的倍率曲線和容量循環曲線；

圖3? 不同充放電狀態下的電極材料表征

a) NDIBs的初始充放電曲線；

b) 初始充放電循環的非原位XRD圖譜——石墨電極；

c-f)? 不同狀態下的SC 電極HRTEM圖像：(c) 充電至4.7 V(1st cycle)，(d) 放電至2.0 V(1st cycle)，(e) 充電至4.7 V(100th cycle) ，(f) 放電至2.0 V(100th cycle)；

g-j) ?充電至4.7 V 時，SC電極材料的元素(C、O、Na)分布譜圖；

圖4? 各個狀態下NDIBs示意圖

?

五個狀態下的NDIBs示意圖：初始、充電、充電完成、放電、放電結束;

【總結與展望】

軟碳首次被用作鈉基雙離子全電池負極材料，不僅表現出了優良的電化學性能，而且降低了NDIBs成本。在200 mA·g^-1的電流密度下，首次放電容量可達103 mAh·g^-1, 而且具備較高的放電平臺（3.58 V）、優良的充發電倍率，循環穩定性優異，1000 mA·g^-1下，800個循環后的比容量依然可達81.8%，僅僅只有0.023 % cycle^-1的容量衰減。

以上數據表明，在能源存儲領域內，NDIBs頗具發展潛力。本文中，軟碳的應用可以為NDIBs負極材料的進一步研發提供一定的理論指導。

原文鏈接：Soft Carbon as Anode for High-Performance Sodium-BasedDual Ion Full Battery?(Adv. Energy Mater.，2017，DOI:?10.1002/ aenm.201602778)

本文由材料人新能源組 深海萬里 供稿，材料牛編輯整理。

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