硬碳微管作为高性能钠离子电池负极材料的研究

随着化石燃料的逐渐耗竭与环境污染的日益加剧,风能、太阳能、潮汐能等可再生能源的利用越来越受到人们的关注。然而受其随机性、间歇性、波动性等特点的限制,需要配置相应的储能系统以提高可再生能源的使用效率。锂离子电池以其比能量高、循环寿命长等优点已广泛应用于便携电子设备中,而且已经作为动力源应用于电动汽车领域。然而,锂资源的稀缺性与分布不均匀性将制约其在大规模储能方面的应用。为弥补锂离子电池在储能方向应用的局限性,钠离子电池以其钠资源丰富、分布广泛和成本低廉等特点受到了人们的普遍关注,并于近些年来得到了广泛研究。高性能电极材料的开发对实现钠离子电池的商业化至关重要。截至目前,一些正极材料的开发已基本能够满足应用的要求,但负极材料仍制约着钠离子电池的实用化。在已报道的钠离子电池负极材料中,硬碳材料以其较好的综合性能而成为具有实用前景的负极材料。

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中科院物理研究所李云明博士生和胡勇胜研究员等利用可再生的天然棉花制备出高性能的硬碳材料,并对硬碳的储钠机理进行了系统深入地研究。他们以天然棉花的管状结构为依托,通过一步碳化法成功制备出形状规则的硬碳微管。将硬碳微管作为负极材料直接应用于钠离子电池中后发现其储钠容量为315mAh/g,首周库仑效率高达83%,且循环稳定性佳。不仅如此,他们还系统研究了硬碳微管的储钠机制。通过非原位TEM和XPS手段解释了电化学曲线中的斜坡部分对应钠在碳层表面和缺陷位置的吸附,而平台部分则对应钠在纳米空穴中的存储。进一步,GITT研究结果表明钠离子在电化学曲线中平台区域的扩散系数要比斜坡区域的要低很多,是制约其倍率性能的关键。相关论文目前在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201600659)上。