Energy Technology:自然的馈赠——基于竹子衍生多孔碳作为锂/钠-硒电池正极材料的研究

近年来,随着电动汽车和电网对高能量密度电池的需求逐渐增加,传统的锂离子电池(<300 Wh kg-1)无法满足市场的发展,锂/钠-硒电池因其相对较好的电导率(10-3 S cm-1)和高理论比容量(675 mAh g-1)而引起了广泛的研究兴趣。然而硒的利用率低,库仑效率低以及由于聚硒化物的溶解和循环过程中明显的体积变化(约180%)等问题严重影响了锂/钠-硒电池体系的商业化应用。如果可以有效缓解甚至解决这些问题,锂/钠-硒电池的电化学表现将会极大的提高。

吉林大学张冬课题组为了解决这些问题实现电化学反应过程中氧化还原反应的稳定性,利用竹子作为原材料,氢氧化钠作为活化造孔剂,制备出了具有高比表面积和孔体积的多孔碳负载材料,有效缓解了电化学反应过程中的硒的溶解以及体积膨胀等问题。相关结果发表在Energy Technology(DOI: 10.1002/ente.201901445)上。

作为天然生物质,竹子由于其丰富的自然资源,对环境有益和较短的成熟周期而在日常生活中得到了广泛的应用。此外,竹子具有独特的相互连接的三维(3D)微观结构,可以转变为高度有序的多孔碳材料,因此在电化学反应过程中,竹子衍生的多孔碳(PBC)不仅可以提供丰富的固硒位点,而且有效缓解了循环过程中聚硒化物化合物的穿梭以及体积膨胀问题,保持了硒的利用率和材料的结构稳定性。同时,PBC的高电导率和相互连接的3D结构也有利于离子的扩散和电子的传输,提升了电池整体的反应动力学和稳定性。如预期的那样,Se/PBC正极材料具有出色的长期循环稳定性和优异的倍率性能,在Li-Se电池体系中,Se/PBC正极在0.2 C(1 C = 675 mA g-1)电流密度下循环200圈后仍可提供509 mAh g-1的比容量,每圈循环的容量衰减率仅为0.036%。同时,Se/PBC复合材料Na-Se电池也显示出令人满意的电化学性能,在0.2 C下200次循环后,其容量仍能保持在409 mAh g-1。因此,我们不仅证明了竹子在储能系统中具有巨大的应用潜力,而且还提供了一种有效和低成本的方法来提高锂/钠-硒电池的性能。