Advanced Energy Materials:碳材料的本征缺陷对储钠性能的影响

钠离子电池具有成本低、无过放电特性等优势,有望在未来的大规模储能系统中发挥重要作用。据报道,目前钠离子电池正极材料(聚阴离子化合物、层状氧化物、普鲁士蓝等)的性能已经可媲美于商用锂离子电池的水平。对于钠离子电池负极而言,仍需开发合适的低电位材料,以实现电池的高比容量和长循环稳定性,这也是目前的研究热点之一。碳材料由于其低成本、高导电性和良好稳定性等特点,成为一类极具潜力的钠离子电池负极材料。研究发现,增加碳材料中活性位点可以有效促进钠离子的吸附行为,当前研究多集中于在碳材料中引入杂原子作为外部缺陷来作为钠离子的吸附位点,以提高储钠容量及循环稳定性。众所周知,碳材料中普遍存在有本征缺陷,而关于本征缺陷是否同样具有促进钠离子吸附行为的作用,仍缺乏系统研究。

最近,青岛大学杨东江教授课题组和张立学教授课题组等合作对这一关键问题进行了研究。论文作者选用常规的葡萄糖作为碳源,利用简单的模板辅助法合成了具有不同程度本征缺陷的有序多孔碳纳米材料。为了研究本征缺陷的存在对于碳材料储钠行为的影响,进行了系统的形貌结构(SEM, HRTEM, Raman, XPS等)表征,证明了模板的引入使得碳层微观结构的本征缺陷得以暴露,导致缺陷密度增加。进一步结合相应的电化学测试分析了材料的充放电行为,发现缺陷的引入有效增加了材料在高电压(>0.1 V)处吸附电容行为。同时也分析了不同材料的储钠容量贡献机制,证明了本征缺陷提供了高比例的法拉第赝电容贡献。此外,第一性原理计算也证实本征缺陷的存在大大降低了碳材料对钠的吸附能,更有利于维持长期高效的储钠行为。受益于稳定的钠离子吸附动力学,所设计的碳材料负极表现出优异的储钠能力:在1 A/g的电流密度下比容量达221 mAh/g,并在10 A/g的高电流密度下经过5000圈循环后仍具有优异的可逆稳定性。

该工作证明了碳材料的本征缺陷是有效的钠离子吸附活性位点,本征缺陷的存在有利于提高碳材料的电化学储钠性能,这一发现对于高性能钠离子电池碳基负极材料的设计具有借鉴意义。相关研究成果发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201903652)上,硕士研究生郭瑞琪和博士研究生吕春晓为论文的共同第一作者,张立学教授和杨东江教授为论文的共同通讯作者。