吉林大學張冬課題組：竹子衍生多孔碳作為鋰/鈉-硒電池正極材料

2020-09-02 材料分析與應用

成果簡介

近年來，隨著電動汽車和電網對高能量密度電池的需求逐漸增加，傳統的鋰離子電池（<300 Wh kg-1）無法滿足市場的發展，鋰/鈉-硒電池因其相對較好的電導率（10-3 S cm-1）和高理論比容量（675 mAh g-1）而引起了廣泛的研究興趣。然而硒的利用率低，庫侖效率低以及由於聚硒化物的溶解和循環過程中明顯的體積變化（約180％）等問題嚴重影響了鋰/鈉-硒電池體系的商業化應用。如果可以有效緩解甚至解決這些問題，鋰/鈉-硒電池的電化學表現將會極大的提高。

本文，吉林大學張冬課題組在《Energy Technology》期刊發表名為「Porous Bamboo‐Derived Carbon as Selenium Host for Advanced Lithium/Sodium–Selenium Batteries」的論文，研究為了解決這些問題實現電化學反應過程中氧化還原反應的穩定性，利用竹子作為原材料，氫氧化鈉作為活化造孔劑，製備出了具有高比表面積和孔體積的多孔碳材料（（PBC）），有效緩解了電化學反應過程中的硒的溶解以及體積膨脹等問題。Se / PBC電極在Li-Se電池在15 C和Na-Se電池在10 C時也具有出色的長期循環性能和倍率性能。優異的性能歸因於PBC的特定3D結構和高電導率，這顯著抑制了穿梭效應並增強了反應動力學。在此，不僅展示了竹子在儲能系統中的巨大應用潛力，而且還提供了一種有效的方法和低成本策略來提高鋰/鈉-硒電池的性能。


圖文導讀

圖1、Se n / PBC複合材料的實驗製備過程示意圖。


圖2、a）XRD譜圖和b）體Se，PBC和Se 50 / PBC的拉曼光譜。c）SEM圖像，d）TEM圖像，e）Se 50 / PBC 的高解析度TEM圖像。f）高角度環形暗場掃描透射電鏡圖像和g–i）Se 50 / PBC 的C，Se和O的相應元素映射。


圖3、a）PBC和Se 50 / PBC的N 2吸附和解吸等溫線，b）孔徑分布（Horvath–Kawazoe和Barrett–Joyner–Halenda）。c）Se 50 / PBC的熱重曲線。d）從Se 50 / PBC 獲得的高解析度Se 3d XPS光譜。


圖4、a）在最初的三個循環中，Se 50 / PBC的CV 在0.1 mV s -1。B）放電充電曲線和c）的Se循環性能50以0.2C d的電流密度/ PBC）速率性能和e）硒的0.5℃的循環性能50 / PBC鋰硒電池。


圖5、a）在最初的三個循環中，Se 50 / PBC的CV 在0.1 mV s -1。B）放電充電曲線和c）的Se循環性能50以0.2C d的電流密度/ PBC）速率性能和e）硒的0.5℃的循環性能50 / PBC的Na-Se電池。


小結

綜上所述，以多孔碳為基料，通過簡單的方法，設計併合成了一種先進的鋰/鈉-硒電池正極複合材料。這種性能的改善歸因於其獨特的大比表面積和大孔徑的三維PBC結構，不僅有利於Li+/Na+離子的傳遞，而且可以緩衝循環過程中體積的變化。這項工作為將竹子轉化為有用的碳基材料提供了一種簡便有效的方法，更重要的是，為開發鋰/鈉-硒電池用先進碳基材料提供了一種新的可持續和經濟的方法。

文獻：

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