AEnM:碳材料的本徵缺陷對儲鈉性能的影響

2020-12-18 騰訊網

鈉離子電池具有成本低、無過放電特性等優勢，有望在未來的大規模儲能系統中發揮重要作用。據報導，目前鈉離子電池正極材料（聚陰離子化合物、層狀氧化物、普魯士藍等）的性能已經可媲美於商用鋰離子電池的水平。對於鈉離子電池負極而言，仍需開發合適的低電位材料，以實現電池的高比容量和長循環穩定性，這也是目前的研究熱點之一。碳材料由於其低成本、高導電性和良好穩定性等特點，成為一類極具潛力的鈉離子電池負極材料。研究發現，增加碳材料中活性位點可以有效促進鈉離子的吸附行為，當前研究多集中於在碳材料中引入雜原子作為外部缺陷來作為鈉離子的吸附位點，以提高儲鈉容量及循環穩定性。眾所周知，碳材料中普遍存在有本徵缺陷，而關於本徵缺陷是否同樣具有促進鈉離子吸附行為的作用，仍缺乏系統研究。

最近，青島大學楊東江教授課題組和張立學教授課題組等合作對這一關鍵問題進行了研究。論文作者選用常規的葡萄糖作為碳源，利用簡單的模板輔助法合成了具有不同程度本徵缺陷的有序多孔碳納米材料。為了研究本徵缺陷的存在對於碳材料儲鈉行為的影響，進行了系統的形貌結構(SEM, HRTEM, Raman, XPS等)表徵，證明了模板的引入使得碳層微觀結構的本徵缺陷得以暴露，導致缺陷密度增加。進一步結合相應的電化學測試分析了材料的充放電行為，發現缺陷的引入有效增加了材料在高電壓（>0.1 V）處吸附電容行為。同時也分析了不同材料的儲鈉容量貢獻機制，證明了本徵缺陷提供了高比例的法拉第贗電容貢獻。此外，第一性原理計算也證實本徵缺陷的存在大大降低了碳材料對鈉的吸附能，更有利於維持長期高效的儲鈉行為。受益於穩定的鈉離子吸附動力學，所設計的碳材料負極表現出優異的儲鈉能力：在1 A/g的電流密度下比容量達221 mAh/g，並在10 A/g的高電流密度下經過5000圈循環後仍具有優異的可逆穩定性。

該工作證明了碳材料的本徵缺陷是有效的鈉離子吸附活性位點，本徵缺陷的存在有利於提高碳材料的電化學儲鈉性能，這一發現對於高性能鈉離子電池碳基負極材料的設計具有借鑑意義。相關研究成果發表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903652)上，碩士研究生郭瑞琪和博士研究生呂春曉為論文的共同第一作者，張立學教授和楊東江教授為論文的共同通訊作者。

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