Small:碱金属离子电池和锂电池通用的N/O共掺杂碳电极材料

随着能源应用与存储领域的快速发展,电化学储能体系已由最初单一的锂离子电池拓展到了钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、金属锂电池和锂硫电池等多样化同步发展模式。不同电池体系对电极材料要求的差异,不仅大大增加了研究内容和成本,而且限制了储能体系的普适性应用。因此,探索能够适用于不同电池体系的通用型电极材料,具有明显重要的意义。

碳基材料具有可循环再生、密度小、导电性好、化学性质易于调控等优点,成为了二次电池最重要的电极材料之一。一方面,具有丰富表面活性位点和官能团/缺陷的无定形纳米碳材料,在碱金属离子电池中能表现出优异的储能性能;另一方面,通过杂原子掺杂,能够很好地调控碳材料电子分布、表面吸附能力等特性,从而在控制锂成核与均匀沉积方面具有可调控和提升的表现。

最近,东北师范大学吴兴隆教授课题组发表了一种高N/O共掺杂含量的无定形碳纳米管电池电极材料(论文信息附后)。文章通过温和廉价的模板法,合成了高N/O(20.6%)共掺杂含量的无定形多孔碳纳米管(简写为:NOPCT),在多种储能电池中均表现出优异的电化学性能。互相交错的碳纳米管具有丰富的分级多孔通道,能够促进离子/电子转移;膨胀的层间距可保证Li+/Na+顺利地嵌入与脱出;多孔导电网络有效地抑制了锂金属电池中锂的不均匀成核与枝晶化生长,降低了有效电流密度和浓度梯度。第一性原理计算结果表明,丰富的N/O官能团可以有效地提高导电性,并显著地增强了对Li/Na离子的表面吸附能力。对于锂/钠离子电池而言,这些吸附位点能够提供丰富的表面活性位点,从而提高Li/Na储存容量;对锂硫电池而言,N/O官能团则能够通过锚固锂离子而有效地抑制多硫化锂的穿梭效应;在锂金属电池中,这些吸附位点具有良好的亲锂性,从而实现均匀的锂成核与沉积。基于这些优点,NOPCT在锂/钠离子电池、硫正极及锂金属负极中均表现出各自电池体系中高的比容量与优异循环稳定性。该工作很好地实现了传统碱金属离子电池与新型锂金属电池材料的共用,结合实验与理论计算结果,为设计和发展通用型电极材料提供了深入的认识。

此外,最优的掺杂含量与掺杂比例仍有待探索,电池的首圈库伦效率也可以在后续研究中进一步地提高。研究者相信,该工作将会为通用型电极材料的设计与制备提供了新的思路,通用型电极材料的研究将会为储能体系发展注入新的活力。

论文信息:

Engineering All-Purpose Amorphous Carbon Nanotubes with High N/O-Co-Doping Content to Bridge the Alkali-Ion Batteries and Li Metal Batteries

Xiao-Hua Zhang, Ru Jiang, Chao-Ying Fan, Dan Xie, Bao Li, Jing-Ping Zhang, and Xing-Long Wu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202006566