山西煤化所陈成猛团队ACS AMI：沥青调节活性炭孔隙结构用于高性能钠离子存储

【文章信息】

第一作者：田彦茹

通讯作者：陈景鹏*，陈成猛*

单位：中国科学院山西煤炭化学研究所

【研究背景】

炭负极的孔隙结构对提高钠的储存能力起着至关重要的作用。以往大量的研究关注在炭阳极中设计更多的密闭孔隙以提高材料性能。然而，以往增加封闭孔隙体积的策略很容易达到容量提升的极限，而对多孔结构的直接调控可能导致相对较低的初始库仑效率（ICE）。在本研究中，我们利用液相浸渍法结合预碳化法来调节活性炭（AC）材料的孔隙结构的策略。结合形貌、孔隙结构的表征和电化学测试结果，得到了孔隙结构与电化学性质的相关性。我们发现，低比表面积和高直径小于1 nm的孔隙是提高钠离子储存性能的主要因素。此外，沥青在材料表面形成了独特的界面，有序的炭层为电子转移提供了一个快速的途径，提高了材料的速率性能。因此，本文提出了一种有效的调节孔隙结构的策略，并为设计高性能炭负极提供了思路。

【文章简介】

近日，来自中国科学院山西煤炭化学研究所的陈成猛研究员，在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表题为“Regulating Pore Structure of Activated Carbon by Pitch for High-Performance Sodium Ion Storage”的文章。本文提出了一种简单有效的孔隙调节策略，即利用有序的沥青衍生炭对商业活性炭（AC）材料进行修饰，并对所获得的复合材料的孔隙结构演化和内孔隙表面的研究。沥青的引入不仅产生了大量的有效储钠微孔，而且通过附着在内孔表面为电子提供快速的转移途径，有利于复合材料中钠离子的存储和倍率性能。

图1. 沥青调控商业活性炭孔隙结构以提升储钠性能

【本文要点】

要点一：采用液相浸渍法将沥青引入活性炭中，诱导形成直径小于1 nm的微孔以存储钠离子。

溶解在THF中的沥青扩散到活性炭的孔隙中，并吸附在微孔的内表面。在电镜下观察到沥青衍生炭并没有出现在活性炭表面，也没有形成均匀连续的包覆层。结合孔结构表征结果，沥青优先进入炭骨架内部修改孔隙。沥青的加入降低了材料的比表面积，同时增加了孔径<1 nm的有效储钠微孔。即便最终的复合材料比表面积并不低，但有效钠存储孔隙仍然提升了材料的钠离子储存能力，并减少了不可逆的容量损失。

图2. 沥青浸渍多孔炭复合材料的孔结构

要点二：由沥青产生的更有序的碳层可以提高电导率，附着在孔内表面的有序炭层为电子转移提供快速通道

沥青作为软炭前驱体，经过高温炭化后石墨化度较高。利用沥青衍生碳对商业活性炭（AC）进行孔隙调控的同时，有序的碳层会附着在材料的表面和孔隙的内表面。当电解液直接接触材料表面时，沥青衍生炭缺陷浓度低，有利于减少副反应的发生。而且沥青衍生炭具有高电导性，位于电解液和多孔炭界面间的有序炭层为电子提供了一个快速的转移通道。

要点三：复合材料展示出优异的电化学性能

直接炭化的活性炭（AC-1300）在30 mA g⁻¹的电流密度下，可逆容量仅有76.7mAh g⁻¹，首效仅有13.3%。相比之下，在该策略下制备的最佳复合材料（XA-4T-1300）具有383.0 mAh g⁻¹，ICE为91.1%。在1A g⁻¹条件下，XA-4T-1300经过300次循环后的容量保留率高达95.5%。该研究为高性能钠离子负极材料的设计提供了新思路。

图3. 沥青浸渍多孔炭复合材料的储钠性能及其与其他材料对比结果

【文章链接】

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c00301