大面积磷掺杂碳纳米片:高性能钠离子电池负极材料

由于来源丰富、成本低廉、无毒且稳定性好,碳材料被认为是钠离子电池最具应用前景的负极材料之一,开发具有高容量、长寿命、低成本的碳材料对促进钠离子电池尽快商业化意义重大。由于钠离子半径较大,用作锂离子电池的传统石墨负极储钠活性差,其不能直接用作钠离子电池负极材料。但研究表明众多无定形碳材料展现出了良好的储钠性能。目前,钠离子电池无定形碳负极材料可逆容量一般在 200~300 mAh g-1,由于具有较大的比表面积,副反应较多,导致了首次库伦效率及循环过程的库伦效率较低,部分碳材料制备成本高,远不能满足产业化的需要。

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碳量子点的光学照片(a)和透射电镜照片(b);磷掺杂碳纳米片的扫描电镜照片(c)和透射电镜照片(d)

中南大学纪效波教授、侯红帅博士及其团队在钠离子电池碳负极材料方面的研究取得重要进展,创新性地提出了一种批量制备碳量子点及其衍生碳材料的方法。该团队以乙醛和氢氧化钠为原料,通过室温静置反应制备了富含含氧官能团的碳量子点,该方法制备碳量子点产量高、操作简便、成本低廉。合成的碳量子点在磷酸二氢钠的辅助作用及高温热处理下通过自组装可形成大面积的磷掺杂碳纳米片。该团队系统探究了由碳量子点到碳纳米片的转化过程及其影响因素,并深入研究了磷掺杂碳纳米片的电化学储钠行为。该材料展现了优异的储钠性能,其可逆比容量高、循环寿命长。在 0.1 A g-1 的电流密度下,其可逆比容量为 328 mAh g-1,在 20 A g-1 的超大电流密度下,其可逆容量高达 108 mAh g-1。在 5 A g-1 的大电流密度下,5000个循环后其可逆比容量仍保持在108.8 mAh g-1相关论文在线发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201600243)。

相关工作得到了国家自然科学金、中南大学创新驱动项目、粉末冶金国家重点实验室的资助。