Adv. Energy Mater. : 低缺陷低孔隙度硬碳用于高库仑效率高容量钠离子电池负极

【引言】

由于具有良好的成本效益和电化学稳定性，碳基材料作为钠离子电池的负极材料前景诱人。其中硬碳已作为钠离子电池的负极材料进行了深入研究。硬碳可通过各种含碳物质产生，包括生物质(如纤维素、花生壳、香蕉和柚子皮)以及有机聚合物(如酚醛树脂、聚苯胺、聚乙烯)。然而，上述硬碳材料的应用很大程度上受到了低初始库仑效率(ICE)的限制。研究人员已广泛研究了热解温度对硬碳的微观结构以及电化学性能的影响。一般来说，随着热处理温度的增加，石墨化程度随之提升，使得硬碳的表面积和孔隙度降低，同时缺陷的含量也有所降低。硬碳的表面积(孔隙度)和缺陷含量是影响其电化学性能的重要因素，这些电化学性能包括可逆容量、操作电压和初始库仑效率。

【成果简介】

近日，美国太平洋西北国家实验室Liu Jun博士、武汉大学曹余良教授(共同通讯作者)等系统地调控具有相似整体架构硬碳的缺陷含量和孔隙度，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Low-Defect and Low-Porosity Hard Carbon with High Coulombic Efficiency and High Capacity for Practical Sodium Ion Battery Anode”的研究论文。该工作提出石墨层中的缺陷与ICE直接相关，缺陷会捕获钠离子并产生排斥其他钠离子的电场，降低了低压插层容量。所得低缺陷和孔隙度的硬碳电极获得了高达86.1%的ICE(纯硬碳材料导电炭黑为94.5%)，其可逆容量为361mAh·g^-1，循环稳定性良好(100次循环后容量保留93.4%)。该工作揭示了可行的高性能储钠硬碳设计原则，即合适的碳层距离以及无缺陷的石墨层。
[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Liu Jun的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文简介】

图1 硬碳材料的形貌

a) HC-5(即以5℃·min^-1升温至1300℃)的HRTEM图像；

b) HC-2(即以2℃·min^-1升温至1300℃)的HRTEM图像；

c) HC-1(即以1℃·min^-1升温至1300℃)的HRTEM图像；

d) HC-0.5(即以0.5℃·min^-1升温至1300℃)的HRTEM图像。

图2 硬碳材料的相关表征

a) 硬碳材料的XRD谱图；

b) 硬碳材料的Raman光谱；

c) 硬碳材料的氮气吸-脱附曲线；

d) 硬碳材料的I_D/I_D+ I_G和比孔容。

图3 硬碳材料的首圈充-放电曲线

HC-0.5、HC-1、HC-2和HC-5电极在20 mA·g^-1电流密度下的首圈充-放电曲线。

图4 硬碳材料的循环性能

0.5℃·min^-1热解所得硬碳材料在20 mA·g^-1电流密度下的循环性能。

图5 恒电势下钠离子在碳层间的稳态分布

a) 钠离子在无缺陷碳层间的分布；

b) 钠离子在有缺陷的碳层间的分布。

【小结】

研究人员研究了石墨层的孔隙度和缺陷含量对硬碳材料电化学性能的影响。结果表明，平面缺陷较少的硬碳产物显示出更高的首圈库仑效率和可逆容量。理论模拟预测，碳层中的缺陷通过捕获钠离子并产生电场，破坏钠离子占位的连续性。因此，该工作不仅进一步证实了先前提出的硬碳储钠“吸附-嵌入”机理，而且为研究缺陷对不可逆和可逆容量的影响提供了参考。上述基础研究为发展用于钠离子电池商业化的高容量和高ICE硬碳材料提供了实用的设计原则。

文献链接：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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