新聞網訊 近日，化學化工學院張立學教授課題組與環境科學與工程學院楊東江教授課題組等密切合作，在鹼金屬離子電池碳基電極材料研究領域取得重要進展，相關研究成果以「Effect of Intrinsic Defects of Carbon Materials on the Sodium Storage Performance」為題發表在國際著名期刊Advanced Energy Materials上（Adv. Energy Mater. 2020, DOI: 10.1002/aenm.201903652），期刊影響因子為24.884。該項研究得到了國家自然科學基金、山東省自然科學傑出青年基金、泰山學者計劃和山東省高等學校「青創科技計劃」團隊等項目的資助。我校研究生郭瑞琪和呂春曉為該論文共同第一作者。
鈉/鉀等新型鹼金屬離子電池具有成本低廉等優勢，有望在未來的大規模儲能系統中發揮重要作用。碳材料由於其低成本、高導電性和良好穩定性等特點，是極具潛力的鹼金屬離子電池負極材料。此前，兩課題組合作構建了海藻酸基硫/氮共摻雜碳納米纖維氣凝膠鉀離子電池負極新材料，實驗和密度泛函理論計算表明硫/氮共摻雜有利於增強鉀離子的吸附存儲，表現出優異的儲鉀性能（Small, 2019, 15, 1900816）。在碳材料中引入雜原子作為外部缺陷作為鹼金屬離子的吸附位點，確實可有效提高其存儲容量及循環穩定性；但眾所周知，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鹼金屬離子吸附行為的作用，仍缺乏系統研究。最近，兩課題組合作對這一關鍵問題開展了深入研究。研究人員選用常規碳源並利用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，電化學性能測試結果表明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，提供了高比例的法拉第贗電容貢獻。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，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。