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  隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化石燃料的過度使用是能源枯竭和環(huán)境污染的主要原因。開發(fā)高性能/低成本的大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能電池材料勢在必行。多孔碳合成簡單、表面積高，有利于電解質(zhì)滲透，減少離子擴(kuò)散距離，顯示出優(yōu)越的儲(chǔ)鈉性能。但對儲(chǔ)鈉機(jī)理的分析存在巨大的挑戰(zhàn)。

  大量的論文工作證明通過調(diào)控碳材料的結(jié)構(gòu)/形態(tài)可以有效地改善碳材料的儲(chǔ)能性能。其中二維（2D）碳納米片，由于其短的擴(kuò)散長度和塊狀暴露表面的開放性，電解質(zhì)可以很容易地接近片狀結(jié)構(gòu)，賦予了塊狀電極材料優(yōu)異的充電/放電性能及良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

  模板法是一種更為簡單有效的合成方法，可以形成可控結(jié)構(gòu)和形貌的多功能納米材料。然而，由于碳源的限制，很難獲得具有帶有大型比表面積的2D結(jié)構(gòu)。雜原子摻雜是另一種進(jìn)一步提高其儲(chǔ)鈉性能的方法。氮原子摻雜能夠在碳表面誘導(dǎo)缺陷形成，而S原子摻雜擴(kuò)大了層間間距并充當(dāng)活性位點(diǎn)�，F(xiàn)有工藝難以實(shí)現(xiàn)高含量的S摻雜，與單一原子摻雜材料相比，S/N共摻雜具有更高的鈉離子儲(chǔ)存容量。

  基于此，四川大學(xué)王延青特聘研究員課題組，在國際領(lǐng)域知名期刊Small 上發(fā)表題為“Dual activation for tuning N, S co-doping in porous carbon sheets towards superior sodium ion storage”的研究論文。

  在前期的研究工作中，他們基于正負(fù)極材料制備提出了新的方法，負(fù)極材料通過KNO₃活化(Carbon 201, (2023): 1081-1089)、插層誘導(dǎo)燃燒活化(Advanced Science, 2023,10(14), 2207751)和液體模板輔助(Small, 2023,19(39), 2302583.)、原位模板法(Carbon 217, (2024): 118631.)等方法進(jìn)行形貌結(jié)構(gòu)調(diào)控；正極主要通過分散劑分子的靜電偶極子相互作用和空間位阻（Carbon 214, (2023): 118315），制備單分散超長單壁碳納米管溶液（Carbon 212, (2023): 118133）。利用超長碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，構(gòu)建無粘結(jié)劑的自支撐電極，形成高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和快速電荷傳遞能力(Advanced Science,2023, 10(13), 2207355)。

  并且對材料的醚/酯基電解質(zhì)的鈉儲(chǔ)存機(jī)理差異進(jìn)行了分析。通過非原位表征，證實(shí)了醚/酯電解質(zhì)表現(xiàn)出相似的儲(chǔ)鈉機(jī)理，電化學(xué)性能的差異可歸因于動(dòng)力學(xué)上的差異，與酯基電解質(zhì)相比，醚基電解質(zhì)表現(xiàn)出更高的 Na⁺儲(chǔ)存和脫出速率。他們的研究為開發(fā)用于 SIB 的雙摻雜碳陽極材料提供了有效途徑，并為醚/酯基電解液中的儲(chǔ)鈉機(jī)理探索提供新的見解。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一：基于燃燒活化的雙活化法制備N/S摻雜SXL材料

圖1 (a) SXL-5 的合成過程示意圖。(b) SXL-5 熱解的TG-IR 光譜。

要點(diǎn)二：SXL形貌結(jié)構(gòu)

  采用XRD和Ramon進(jìn)一步分析所制備材料的微觀結(jié)構(gòu)， XRD圖中顯示，上述碳材料在25°和43.5°展現(xiàn)出兩個(gè)峰，分別對應(yīng)于碳材料的002和100晶面,其中SXL-5材料的002晶面較寬，證明摻雜N,S后結(jié)晶度較低,根據(jù)布拉格公式計(jì)算得出的晶面間距為0.353nm, 表明N和S共摻雜可以擴(kuò)大碳基體層間間距。SXL-5的(ID/IG)值為2.88,證明單一的鹽模板能夠帶來有限的缺陷和無序程度，但兩種鹽模板協(xié)同作用能增加缺陷，有助于鈉離子反應(yīng)的發(fā)生。

圖 3 (a) XRD 圖；(b) 拉曼光譜；(c) XPS 掃描光譜；(d) SXL-5 的 C 1s 高分辨率 XPS；(e) N、S 共摻雜碳基體示意圖。(f-g）SXL-5 的高分辨率 N 1s 和 S 2p XPS。(h) S、SL、SX-5 和 SXL-5 的氮氣吸脫附曲線和 (i) S、SL、SX-5 和 SXL-5 的孔徑分布。

要點(diǎn)三：電化學(xué)性能的表征

  SXL-5作為SIB陽極的電化學(xué)速率性能，其可逆比容量在0.05 A g^-1時(shí)分別為344.44 mAh g^-1。從圖4b可以看出， SXL-5儲(chǔ)Na⁺的機(jī)理以吸附為主。兩種鹽模板協(xié)同作用制備的SXL-5材料，制備的碳結(jié)構(gòu)具有無序，較大的比表面積和開放的孔隙，N,S摻雜擴(kuò)大碳層層間，以獲得最佳的儲(chǔ)鈉性能，容量為344.44 mAh g^-1，初始庫倫效率提高至67.48%。

圖 4 不同用量的硝酸鉀（SXL-x（x=3，4，5，6 和 7.5））在不同電流密度下的速率性能。(b) 電流密度為 0.05-10 A g^-1 時(shí)的首圈充放電曲線。(c) 不同前驅(qū)體成分對碳材料比容量和初始庫侖效率的影響。(d) S、SL、SX-5 和 SXL-5 的 EIS 曲線。(e) 與之前報(bào)告的陽極的速率性能比較。(f) SXL-5 在 5 A g^-1 電流密度下的循環(huán)性能。

要點(diǎn)四：儲(chǔ)鈉機(jī)理研究

圖 5 SXL-5 在醚基電解質(zhì)中作為半電池陽極的 Na⁺ 儲(chǔ)存性能。(a) 掃描速率為 0.2-1 mV s^-1 時(shí) SXL-5 在不同電解質(zhì)中的 CV 曲線。(c) 掃描速率為 1 mV s^-1 時(shí)的電容貢獻(xiàn)。(d) 不同掃描速率下的電容貢獻(xiàn)率。(e) 不同充放電電位下的相應(yīng)非原位 XRD 圖。(f) 非原位拉曼光譜。(g) 第一個(gè)周期的非原位 XPS 測試；不同放電/充電過程中 (h) N 1s 和 (i) S 2p 峰的相應(yīng)變化。(j) 鈉儲(chǔ)存過程示意圖。

要點(diǎn)五：不同電解液的對比

  為探究兩種電解液對SXL-5材料電化學(xué)性能的影響，分別測試了兩種電解液體系下的電化學(xué)速率性能。其中醚基電解液在0.05 A g^-1下表現(xiàn)出344.44 mAh g^-1的高可逆容量以及67.30%的初始庫倫效率，而酯基電解液僅有230.79 mAh g^-1的可逆容量以及26.67%的低初始庫倫效率。醚基電解液表現(xiàn)出2.5倍高的ICE值。充放電曲線表明，兩種電解質(zhì)中初始循環(huán)中觀察到主要?dú)w因于 SEI 形成的不可逆反應(yīng)。 

圖 6 SXL 作為半電池陽極在醚基或酯基電解質(zhì)中的 Na⁺ 儲(chǔ)存性能。(a）倍率性能。(b) 在 0.05 A g^-1 條件下首圈充放電曲線。(c) 在不同電解質(zhì)中以 0.2 mV s^-1 的掃描速率進(jìn)行初始循環(huán)的 CV 曲線。不同掃描速率下電容容量的貢獻(xiàn)率。(f) 根據(jù) GITT 電位曲線計(jì)算的 Na⁺ 擴(kuò)散系數(shù)。(g) EIS 分析。(h) 5 A g^-1 時(shí)的循環(huán)性能。

要點(diǎn)六：全電池的應(yīng)用

圖 7：NVP//SXL 全電池的電化學(xué)性能。(a) 全 SIB 示意圖。(b) 全電池從 0.5-5A g^-1 的倍率性能 (c) GCD 曲線 (d) 0.2 mV s^-1 時(shí)的 CV 曲線。(e) 1 A g^-1 100 圈的循環(huán)性能。

  總之，他們提出了一種基于燃燒活化的新方法，利用 K₂SO₄/KNO₃ 雙活化效應(yīng)，形成具有大比表面積的二維（2D）碳材料，并將其應(yīng)用于鈉離子電池。制備的 SIB 陽極材料在 0.05 A g^-1 的條件下表現(xiàn)出 344.44 mAh g^-1 的高可逆容量。鹽模板的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致了多孔結(jié)構(gòu)和高含量的雜原子摻雜。非原位表征表明，電化學(xué)性能的提高歸功于摻雜 N/S 雜原子對鈉離子的作用。對醚酯電解質(zhì)的鈉儲(chǔ)存性能進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，兩種電解質(zhì)的鈉儲(chǔ)存機(jī)制相似。在放電過程中，吡啶氮被鈉化，通過磺酸鈉和多硫酸鹽復(fù)合物的內(nèi)部歧化反應(yīng)形成 Na⁺。電化學(xué)性能的差異歸因于醚基電解質(zhì)比酯基電解質(zhì)存儲(chǔ)和脫出 Na⁺ 的速率更高。重要的是，由 SXL 陽極和 Na₃V₂(PO₄)₃（NVP）陰極組成的完整電池已經(jīng)組裝完成，在功率密度為 230 W kg^-1 的情況下，能量密度高達(dá) 105.93 Wh kg^-1。這項(xiàng)工作不僅為設(shè)計(jì)摻雜雜原子的碳質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高效、快速儲(chǔ)能提供了可行的策略，還對 Na⁺ 的不同儲(chǔ)能機(jī)制進(jìn)行了深入分析。

  文 章 鏈 接

  Dual activation for tuning N, S co-doping in porous carbon sheets towards superior sodium ion storage

  https://doi.org/10.1002/smll.202308684

通訊作者簡介

  王延青特聘研究員簡介：四川大學(xué)特聘研究員，四川省特聘專家，國家制革技術(shù)研究推廣中心特聘專家，四川省專家服務(wù)團(tuán)專家，日本政府高端引進(jìn)外國人（日本高度人才1號(hào)）。入選四川大學(xué)“雙百人才工程”計(jì)劃（2019-2023），日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）外國人特別研究員（2015-2017）。2019年加入四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院高材系獨(dú)立開展研究工作，成立先進(jìn)碳與能源材料應(yīng)用研究室。主要從事超長碳納米管的單分散原理、碳基材料的設(shè)計(jì)制備及其在能源、環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，主要包括：超長碳納米管在非/弱極性有機(jī)體系的分散研究、新型高倍率快充鋰電池導(dǎo)電劑、低溫鋰電池負(fù)極、鈉電池硬碳負(fù)極、電磁屏蔽/吸波材料、超級(jí)電容器、碳基導(dǎo)熱/散熱材料、柔性顯示材料、先進(jìn)高分子功能材料等，在Advanced Science（2篇），Small（2篇），Carbon（10篇），Chemical Engineering Journal（2篇），J Mater Chem A，Energy Storage Materials等高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文50余篇。研究成果獲得了山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金、中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)、山東省專利獎(jiǎng)、四川省特聘專家、JSPS外國青年學(xué)者研究獎(jiǎng)勵(lì)、北海道大學(xué)私費(fèi)外國人留學(xué)生特待制度、四川大學(xué)優(yōu)秀科技人才獎(jiǎng)、鹽都特聘專家等。

  課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/wangyanqing