Small:调控混合沥青和树脂衍生硬碳的石墨域以实现高倍率和稳定的钠储存

钠离子电池和钾离子电池具有成本低、寿命长、安全性能高等优点,不仅可以成为锂离子电池的补充,也能够在一定程度上缓解锂资源的短缺,并逐步替代严重污染环境的铅酸蓄电池,从而保障国家能源安全和社会的可持续发展。综合考虑成本、性能和资源的可持续利用,碳基材料被认为是商业化应用的最佳选择。其中树脂衍生硬碳材料通常在钠离子电池和钾离子电池中表现出优异的电化学性能,但其高昂的价格和高的热解温度(~1500 ℃)阻碍了它们的实际应用。基于此,在保证性能的前提下,使用低成本的沥青衍生碳等复合材料来提高碳的产率和电化学性能,被认为是促进其商业化应用的有效策略。尽管如此,这种碳材料的电化学仍然不能满足实际应用。而且前驱体之间的相互作用对最终碳材料的微观结构的影响以及储钠机理仍有待揭晓。

最近,上海大学理学院&可持续能源研究院的张久俊院士、赵玉峰教授团队,通过沥青的引入和碳化温度的调节来调控碳材料石墨化域的纳米结构,成功合成了一种高性能、低成本的复合硬碳材料。它表现出超高的倍率容量(145.1 mAh g-1,20 A g-1)和循环稳定性(1 A g-1下循环2500次后保持249.3 mAh g-1的容量,容量保持率94.5%)以及高的全电池能量密度(251.1 Wh kg-1),这证实了复合硬碳作为钠离子电池负极的实际可行性。其中沥青在高温热解过程中会形成粘性中间产物,然后通过液相碳化形成高度石墨化的软碳。而树脂在高温碳化过程中始终保持固相,最终形成难以石墨化的硬碳。沥青与树脂的相互交联以及树脂热解时产生的挥发性气体等,可以抑制沥青液化和石墨化的形成。此外挥发气体的溢出也会形成更多的纳米孔。一系列表征结果表明,碳化后 硬碳的球形形貌基本保持不变。较高的碳化温度会减小层间距和缺陷浓度,并增加石墨微晶的尺寸,从而使复合材料具有更大的有序性。通过合理调整沥青的添加量和碳化温度,可以在降低成本的同时有效调控复合碳材料的纳米结构。丰富的短石墨化层能够提高电子的传导和钠离子的传输速率并降低界面电阻,从而提高碳材料的倍率性能。此外,沥青与树脂相互交联形成的复合结构也赋予了材料优异的循环稳定性。

论文信息:

Modulating the Graphitic Domains of Hard Carbons Derived from Mixed Pitch and Resin to Achieve High Rate and Stable Sodium Storage

Xiuping Yin, Yufeng Zhao*, Xuan Wang, Xiaochen Feng, Zhixiu Lu, Yong Li, Hongli Long, Jing Wang, Jinyan Ning, Jiujun Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202105568

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105568

[文章网址]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105568