Advanced Energy Materials:选择性蚀刻构筑共掺杂多孔石墨烯气凝胶用于高性能钠离子存储

与锂相比,钠资源丰富、价格低,因而钠离子电池在大规模电能存储领域具有广阔的应用前景。钠离子半径比锂离子大,这对常用的碳基负极材料的结构和性能提出了新的要求。为了提升钠离子电池的性能,需要提高碳基负极材料的导电性和稳定性、改善其离子表面和体相扩散能力。为此,近些年人们广泛使用杂原子掺杂、缺陷工程、活化造孔等方法对碳材料的结构和性质进行调控,提升其储钠性能。然而目前如何实现碳材料的层间距、导电性、孔结构和浸润性等性能的协同优化仍然是一个挑战。此外,碳基负极材料在电极制备过程中往往需要使用粘结剂,这将增加电极的重量和体积,导致能量密度的降低。因此,发展碳基负极材料性能的协同优化方法,并构筑无需粘结剂的宏观电极结构,对于提升钠离子电池的性能具有重要作用。

近日,南京邮电大学马延文教授课题组和沙特阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授课题组合作提出了一种选择性蚀刻构筑氮氧共掺杂多孔石墨烯气凝胶的方法,利用碳材料结晶性差异,通过调控蚀刻条件实现了氮氧掺杂和材料结晶性的协同优化。该氮氧共掺杂多孔石墨烯气凝胶作为一体化钠离子电池负极材料展现出了优异的电化学性能。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202000099)上。赵进博士和张一洲博士为论文共同第一作者。

论文作者首先以聚氨酯(PU)海绵和氧化石墨烯为前驱物构筑出石墨烯/PU海绵衍生碳复合结构,利用碳材料中普遍存在结晶性差异这一现象,通过空气温和氧化将复合结构中低结晶性PU海绵衍生碳和石墨烯中部分低结晶区域进行选择性刻蚀,制得了氮氧共掺杂多孔石墨烯气凝胶。在此过程中,PU海绵作为自牺牲模板和氮源。此外,作者通过调控蚀刻时间实现了氮氧掺杂物种和材料结晶性的协同优化。氮氧共掺杂多孔石墨烯气凝胶拥有发达的多孔结构、优化的结晶性和较大的层间距,这有利于离子和电子的快速传输以及离子的存储。其掺杂氮原子能够提供更多的钠离子吸附位点,含氧官能团可通过氧化还原反应增加赝电容贡献。此外,一体化气凝胶弹性结构可避免添加剂的使用,可以直接用于钠离子电池负极。该氮氧共掺杂多孔石墨烯气凝胶具有优异的储钠性能,展示出高比容量(0.1 A g−1电流密度下比容量为446 mAh g−1)、高倍率性能(10 A g−1电流密度下比容量为189 mAh g−1)和长循环性能(5 A g−1电流密度下循环2000圈容量保持率为81%)。该工作发展的基于碳材料结晶性差异的选择性蚀刻方法不仅为高性能石墨烯钠离子电池负极材料的研制提供了新的策略,也为构建其他高性能碳基电极材料提供了参考。