Advanced Materials:具有均匀集中极微孔以及可接触官能团的硬炭纳米片实现高性能钠离子存储

钠资源丰富且成本低廉,因此钠离子电池被认为是最有前途的大规模储能技术之一,其中由大量石墨微晶、缺陷和孔结构组成的硬炭负极在实际应用中备受关注。近年来,关于石墨化度高的硬炭和多孔硬炭报道较多,它们的比容量为200~500 mA h g-1,首次库伦效率为30%~80%,倍率性能差别很大。由于这些硬炭中活性位点多样、储钠行为复杂,因此导致上述三个关键电化学指标往往难以兼顾,且各自所对应的电位区域一直存在争议。如果能实现硬炭中活性位点的均匀控制,将有助于探明储钠行为。在硬炭中引入孔隙可有效减少极化并改善钠离子的扩散动力学。但由于缺少控制孔尺寸的有效方法,导致多孔型硬炭在首次充放电过程中不可逆容量损失大、ICE低。储钠的总电位区间在0 ~ 3.00 V之间,其中低于1.00 V的容量有助于贡献能量密度,但通常不到总容量的50%。另外,羰基和羟基官能团可以参与钠离子的氧化还原反应和化学吸附,有利于表面快速储钠,但同样存在可用容量低的问题。通过设计合成具有特定孔道结构和表面官能团的硬炭材料有望解决上诉瓶颈问题。

大连理工大学陆安慧教授团队通过界面组装和炭化方法合成了具有孔径均匀分布的极微孔(~0.5 nm)和可接触羰基/羟基的硬炭型纳米炭片。极微孔有助于钠离子的快速输运并抑制电解液与孔内表面的接触,可同时提高硬炭负极的倍率性能和首次库仑效率;羰基和羟基官能团的表面氧化还原反应和化学吸附过程有助于快速地电容性储钠。基于这种特殊的组合结构设计,该硬炭可展现出高容量(318 mA h g-1@0.02 A g-1),优异的倍率性能(145 mA h g-1@5.00 A g-1)以及高达95%的可用容量(低于1.00 V的电位),并显现出一种“双电位平台”的新储钠机制。通过CV、GITT、XPS以及原位XRD探究了充电过程中两个电位平台区域的储钠机制,即低电位平台区域(0.01~0.10 V)为钠离子从石墨层间脱出;高电位平台区域(0.40~0.70 V)对应羰基和羟基官能团在表面的脱钠过程。相关成果以题为“Hard Carbon Nanosheets with Uniform Ultramicropores and Accessible Functional Groups Showing High Realistic Capacity and Superior Rate Performance for Sodium-ion Storage”发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202000447)上。