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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,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。然而,硬炭负极材料的倍率性能差和可用容量低的问题限制了钠离子电池商业化的进程。根本原因在于硬炭中活性位点多样、储钠行为复杂,且各自所对应的电位区域一直存在争议。因此,通过设计合成具有活性位点均匀的硬炭材料探明各个电位区域的储钠行为,对实现高性能钠离子电池炭负极材料的开发具有重要的意义。


为了解决上述问题,大连理工大学陆安慧教授(点击查看介绍)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。借助极微孔对钠离子的快速输运并抑制电解液与孔内表面的接触,同时提高硬炭负极的倍率性能和首次库仑效率;利用羰基和羟基官能团与钠离子在表面快速的氧化还原反应和化学吸附过程提供电容性储钠。基于这种特殊的组合结构设计,该硬炭展现出高容量(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1.00 V以下高达95%的可用容量,并显现出一种“双电位平台”的新储钠机制。设计合成具有特定结构的硬炭负极材料是实现钠离子电池负极材料高可用容量和优异倍率性能的核心,并为开发高性能钠离子电池负极材料提供了模型研究体系。


为了阐明“双电位平台”储钠机制,作者通过CV、GITT、XPS以及原位XRD探明了充电过程中两个电位平台区域的储钠行为,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与钠离子在表面的氧化还原反应和脱附过程。


这一成果近期发表在Advanced Materials 上,大连理工大学博士研究生夏吉利第一作者,大连理工大学陆安慧教授为通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Hard Carbon Nanosheets with Uniform Ultramicropores and Accessible Functional Groups Showing High Realistic Capacity and Superior Rate Performance for Sodium-ion Storage

Ji-Li Xia, Dong Yan, Li-Ping Guo, Xiao-Ling Dong, Wen-Cui Li, An-Hui Lu*

Adv. Mater., 2020, 2000447, DOI:10.1002/adma.202000447


陆安慧教授简介

陆安慧,大连理工大学教授,教育部长江学者特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,中组部“万人计划”入选者,科技部中青年科技创新领军人才,教育部新世纪优秀人才支持计划入选者,连续获Elsevier年度化学领域高被引学者,获辽宁省自然科学一等奖、中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖等。主要从事多孔材料的制备及在能源催化转化领域的基础与应用研究,包括纳米催化剂设计制备及功能高效集成,二氧化碳等气体捕集分离技术,乙醇制高碳醇和芳醇,低碳烷烃催化转化制烯烃、化学储能材料规模化制备技术等。迄今在J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed.,Adv. Mater.,Energy Envrion. Sci.等期刊发表论文200余篇,被引16300余次,H-index为70,累计申请专利47件,获得专利授权18件。


https://www.x-mol.com/university/faculty/9038


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