Energist 能源學(xué)人 2023-03-29 10:51 發(fā)表于廣東
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第一作者：陸峙秀
通訊作者：趙玉峰*
【研究背景】
資源豐富且價(jià)格低廉的鈉離子電池非常有潛力成為下一代可持續(xù)利用的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，但是目前缺乏合適的電極材料，尤其是負(fù)極材料。硬碳材料由于具有較低的平臺(tái)電位，良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和低廉成本，被認(rèn)為是鈉離子電池中最有可能商業(yè)化應(yīng)用的負(fù)極材料。迄今為止，硬碳還不能夠在寬溫度范圍內(nèi)兼顧高容量、高倍率和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性，這主要是因?yàn)橛蔡嫉碾娀瘜W(xué)性能受到硬碳本身的結(jié)構(gòu)，材料/電解液界面化學(xué)特質(zhì)和電解液性質(zhì)的綜合影響，這限制了其實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化推廣。
【文章簡(jiǎn)介】
基于此，上海大學(xué)趙玉峰教授課題組，在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Materials 上發(fā)表題為“Zinc Single-Atom Regulated Hard Carbons for High Rate and Low Temperature Sodium Ion Batteries”的研究文章。該工作報(bào)道了一種鋅（Zn）單原子摻雜的硬碳材料（Zn-HC），Zn單原子的摻雜能夠調(diào)節(jié)硬碳的體相及表面結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的Zn-HC具有更大的碳層間距（d002 = 0.408 nm）和適合的納米孔（直徑~0.8 nm）和更低的缺陷含量，有利于快速的鈉離子插層及填孔。另一方面，Zn-N4-C結(jié)構(gòu)能夠催化電解質(zhì)鹽NaPF6的快速分解，構(gòu)建薄且富含無(wú)機(jī)物的固體電解質(zhì)膜（SEI）并加快界面Na+存儲(chǔ)動(dòng)力學(xué)；另一方面單原子Zn可在硬碳體相觸發(fā)局域電場(chǎng)，降低了Na+擴(kuò)散能壘（0.60 eV vs 1.10 eV），提升體相Na+存儲(chǔ)動(dòng)力學(xué)。所制備的Zn-HC材料表現(xiàn)出高的可逆容量（546 mAh g-1 @ 0.05 A g-1）、倍率性能（140 mAh g-1 @ 50 A g-1）、首圈庫(kù)倫效率（ICE，84%）和低溫容量（443 mAh g-1 @ -40℃）。此外，該工作詳細(xì)分析了不同溫度（-40~25 ℃）下影響硬碳鈉儲(chǔ)存動(dòng)力學(xué)的影響因素，并發(fā)現(xiàn)硬碳材料的儲(chǔ)鈉動(dòng)力學(xué)受到電極結(jié)構(gòu)、電極/電解液界面化學(xué)特質(zhì)和電解液性質(zhì)的綜合影響，合適的體相和界面結(jié)構(gòu)可以保證硬碳在常溫下獲得優(yōu)異的倍率性能，和低溫小倍率下搞得電化學(xué)性能；而在低溫（-40 ℃）下電荷轉(zhuǎn)移阻抗(Rct)急劇升高，表明硬碳電極中的Na+去溶劑化可能是低溫下硬碳儲(chǔ)鈉的決速步驟。
【本文要點(diǎn)】
1. 構(gòu)建調(diào)節(jié)良好的微結(jié)構(gòu)通過(guò)高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡和同步輻射，證明Zn單原子被成功引入，并且均勻分布在硬碳基底上。通過(guò)Zn原子摻雜來(lái)調(diào)節(jié)硬碳的體相及表面結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的Zn-HC材料具有擴(kuò)展的石墨區(qū)域（d002 = 0.408 nm）和高度發(fā)達(dá)的納米孔（直徑~0.8 nm）和更低的缺陷含量。