Small Structures:异质结构碳用作钠离子电池负极材料

钠离子电池(SIBs)作为一种新型的二次电池,具有资源丰富、成本低廉的优势,在规模储能、智能电网等领域极具应用前景。面向商业化应用,钠离子电池的电极材料不仅需要具有优异的电化学性能,包括高容量、高首效和优异的循环、倍率性能等,还应具有较低的成本。碳材料资源丰富、成本较低、结构多样,是最有实用前景的钠离子电池负极材料。由于结构不同,硬碳、软碳、纳米碳材料的电化学储钠行为和性能各有特色,但均难以完全满足实用化的需求。利用不同碳前驱体在化学组成和结构上的特点,构筑异质结构,为获得综合性能优异的碳负极材料提供了新途径,例如,通过设计软-硬异质结构可利用软炭的高电导率改善硬碳的倍率性能。

北京化工大学徐斌教授课题组在对硬碳、软碳和纳米碳材料的储钠行为和特点进行深入分析的基础上,系统综述了国际上在基于不同前驱体间的协同效应构筑钠离子电池碳基异质结构方面的进展,包括硬碳-硬碳,硬碳-软碳和软/硬-纳米碳异质结构碳材料,深入探讨了异质结构的形成机制和在储钠性能上的优势,并展望了异质结构碳材料面临的主要挑战和未来的发展方向,为高性能钠离子电池碳基负极材料的结构设计提供了思路。

图1. 不同碳材料的结构特征和电化学储钠性能

文章首先介绍了钠离子电池常用的硬碳、软碳和纳米碳负极材料的结构特点和储钠性能,并对其研究现状和改性方法进行了分析,包括形貌调控、杂原子掺杂以及孔结构构筑等。其中,硬碳的结构无序度高,层间距较大,通常具有较高的储钠容量,但丰富的表面缺陷和低的电导率使其首次库伦效率和倍率性能欠佳。软碳虽具有较高的电导率和较低的成本,但其过于规整的微晶结构不利于钠离子的存储,储钠容量较低。纳米碳材料(碳量子点、纳米碳纤维、碳纳米管和石墨烯等)具有较大的比表面积和丰富的储钠位点,但首效和密度较低,此外,复杂的制备工艺和较高的生产成本也限制了其实际应用。因此,迫切需要设计制备综合性能优异的钠离子电池新型碳负极材料。

利用不同前驱体间的协同效应构筑异质结构碳材料,提高其综合储钠性能,是钠离子电池碳负极材料研究的一个新方向。文章详细总结了不同种类的碳基异质结构,包括硬碳-硬碳,硬碳-软碳和软/硬-纳米碳异质结构碳材料,对其形成机制、特点和面临的挑战等进行了分析。

(1)硬-硬异质结构碳材料:利用两种硬碳前驱体之间的交联反应,可提高碳化收率,减少碳材料的内部缺陷,此外,前驱体中相互交联的支链结构可进一步增加碳化产物的无序度、扩大层间距、增加储钠活性位点,因此硬-硬异质结构碳材料通常表现出高的可逆容量、首效以及优异的循环和倍率性能。

(2)软-硬异质结构碳材料:利用软碳和硬碳前驱体各自的结构特点,可以精确调控软-硬异质结构碳材料的微观结构和储钠性能。在软碳前驱体中加入硬碳碳源可以显著增加软碳基体的结构无序度;在硬碳前驱体中引入沥青等软碳碳源可以有效地提高碳材料的电导率,降低表面缺陷,还可降低成本。

(3)软/硬-纳米异质结构碳材料:在硬碳和软碳前驱体中引入具有高比表面和良好的导电性的纳米碳材料,利用两者之间的协同效应,可提高碳材料的电导率并增加活性位点,获得高性能的储钠负极材料,其中,对纳米碳加入量的精准调控是降低不可逆容量、提高首效的关键。

图2. 硬碳、软碳、纳米碳和异质结构碳材料的特性和储钠性能

作者简介

徐斌,北京化工大学材料科学与工程学院和有机-无机复合材料国家重点实验室教授、博导,兼任中国超级电容产业联盟副秘书长、材料电化学过程与技术北京市重点实验室副主任。2006年博士毕业于北京理工大学,2016-2017年作为国家公派高级研修学者在美国德雷赛尔大学访问交流。主要从事先进化学电源与能源材料的研究与开发,包括超级电容器、锂/钠/钾离子电池、锂-硫电池电极材料与器件,电化学储能炭材料和新型二维MXene材料等。作为课题负责人先后承担国家自然科学基金、国家863、国家重点研发计划子课题、北京市科技计划、企业横向课题等。在Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, ACS Energy Lett, Nano Energy等期刊发表SCI论文130余篇,引用8500余次。

论文信息:

Recent Advances in Heterostructured Carbon Materials as Anodes for Sodium-Ion Batteries

Rui Zhao, Ning Sun*, Bin Xu*

Small Structures

DOI:10.1002/sstr.202100132

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202100132