Small:基于多孔交联一维纳米通道的氮掺杂炭纳米纤维的钠离子电池负极

金属钠与锂属于同一主族,具有相似的性质(2.7 V vs. Na/Na+),钠由于储量丰富,成本低廉,有望成为大规模储能的主要技术。炭基材料由于具有良好的导电性,成本低,易调控等优点,被广泛地应用于锂离子电池中。在商业化的锂离子电池中,用石墨作为负极材料时能形成 LiC6化合物,理论容量为372 mA h g-1。然而,钠离子(98 pm)尺寸要远大于锂离子(69 pm),在插/脱嵌过程中动力学阻力较大,大约只能嵌入少量钠离子, 理论容量仅有 31 mA h g-1,所以限制了其在钠离子电池中的实际应用。

基于此,南昌航空大学次素琴课题组和中科院福建物质结构研究所温珍海课题组开展了相应的研究,成功设计和制备了一种具有多孔交联纳米孔道的氮掺杂碳纳米纤维,实现了对钠离子的高效存储。作者主要以能够大批量制备的碲纳米线为模板,通过静电纺丝技术将其限制在聚合物纤维中,进一步处理后合成这种特殊孔道的碳纳米纤维。由于该纳米纤维具有独特的多孔交联纳米孔道结构、优异导电性、异质原子掺杂,其作为钠离子电池负极,表现出高的可逆比容量,优异的循环稳定性和倍率性能。通过XRD分析、透射电镜、拉曼分析及电化学性能测试,揭示了多孔交联一维孔道的引入,增加了碳纳米纤维的层间距,为电极材料提供了更多的钠离子活性位点。同时,氮原子的成功掺杂进一步提高了该材料的电子导电率和结构稳定性,确保了良好的储钠性能。

更加引人注意的是,作者进一步组装了钠离子全电池,表现出了客观的容量和优异的循环稳定性,为钠离子电池负极材料的设计提供了新的思路,并为高性能钠离子电池的实际应用开辟了一条新的途径。相关论文以“N-doped Carbon Nanofibers with Interweaved Nanochannels for High performance Sodium-Ion Storage”为题在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201904054)上。