绿色低廉N/S共掺杂碳球阳极材料用于高效钠离子电池

AEMzhanglina目前,由于环境污染和能源短缺问题,可再生清洁能源的开发与储存在全球范围内受到越来越多的关注和研究。可充电式二次电池由于具有很好的安全性、环境友好性以及高能量密度,被广泛应用于便携式设备、电动汽车、大规模电站储能等领域。其中锂离子电池技术较为成熟、应用最为广泛。但是,由于锂资源较为短缺,近年来全球消耗不断增加,导致其价格急剧上升,大大制约了锂离子电池在大规模储能领域的应用。因此,发展新型非锂离子二次电池成为一个重要课题。因为钠离子与锂离子有相似的性质,且钠资源在地壳及海洋中储量非常丰富,价格低廉,钠离子电池被认为是大规模储能领域最有发展前景的储能技术之一,近年来受到广泛的研究。近期,武汉大学化学与分子科学学院张俐娜院士课题组和华中科技大学电气学院谢佳教授课题组合作,通过一种低成本、绿色无污染途径合成纤维素/聚苯胺复合微球,碳化处理得到N/S共掺杂碳微球,并应用于高效钠离子电池。

在目前提高碳材料电化学性能的各类方法中,构建纳米结构及杂元素掺杂被认为是最有效的方法之一。一般情况下,高温直接碳化生成的碳材料很难形成有效纳米结构而且具有较大的电化学阻抗,不能很好地提高碳材料的倍率性能及能量密度。为了更好的解决这一问题,该团队首次利用可再生的天然高分子纤维素及便宜易得的聚苯胺制备微-纳米分级结构复合微球,然后再用十二烷基苯磺酸掺杂引入S元素,最后高温碳化得到N/S共掺杂的微-纳米分级结构碳微球。对其储钠性能和机理进行研究发现:(1)N/S共掺杂诱导产生缺陷且使石墨碳层间距从0.37 nm扩大到0.41 nm;(2)微-纳米分级结构的设计和杂元素掺杂可增强Na的吸附能、移动速率,减小碳材料的电化学阻抗,;(3)第一性原理计算显示N/S杂元素共掺杂使Na的扩散势垒从203 meV减小到158 meV;(4)在30 mA g-1的电流密度下其容量达到~280 mA h g-1,有趣的是,在10 A g-1的高电流密度下其容量还保持在~130 mA h g-1,500 mA g-1电流密度下循环3400次,容量几乎保持不变。

由于原材料丰富便宜且可再生,储钠性能优异,该材料在大规模储能领域有很好的应用前景,该工作结合实验与理论计算,从结构设计、性能优化到对碳基负极材料结构-性能构效关系的探讨,为碳基电极及其他电极体系的设计和优化提供了实验与理论依据,对促进低成本长寿命钠离子电池的发展有重要的意义。

相关成果发表在近期的Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201501929),并被作为封面报道。