Energist 能源學人 2023-03-29 10:51 發表于廣東
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第一作者：陸峙秀
通訊作者：趙玉峰*
【研究背景】
資源豐富且價格低廉的鈉離子電池非常有潛力成為下一代可持續利用的大規模儲能系統，但是目前缺乏合適的電極材料，尤其是負極材料。硬碳材料由于具有較低的平臺電位，良好的結構穩定性和低廉成本，被認為是鈉離子電池中最有可能商業化應用的負極材料。迄今為止，硬碳還不能夠在寬溫度范圍內兼顧高容量、高倍率和長循環穩定性，這主要是因為硬碳的電化學性能受到硬碳本身的結構，材料/電解液界面化學特質和電解液性質的綜合影響，這限制了其實際應用和商業化推廣。
【文章簡介】
基于此，上海大學趙玉峰教授課題組，在國際頂級期刊Advanced Materials 上發表題為“Zinc Single-Atom Regulated Hard Carbons for High Rate and Low Temperature Sodium Ion Batteries”的研究文章。該工作報道了一種鋅（Zn）單原子摻雜的硬碳材料（Zn-HC），Zn單原子的摻雜能夠調節硬碳的體相及表面結構。優化后的Zn-HC具有更大的碳層間距（d002 = 0.408 nm）和適合的納米孔（直徑~0.8 nm）和更低的缺陷含量，有利于快速的鈉離子插層及填孔。另一方面，Zn-N4-C結構能夠催化電解質鹽NaPF6的快速分解，構建薄且富含無機物的固體電解質膜（SEI）并加快界面Na+存儲動力學；另一方面單原子Zn可在硬碳體相觸發局域電場，降低了Na+擴散能壘（0.60 eV vs 1.10 eV），提升體相Na+存儲動力學。所制備的Zn-HC材料表現出高的可逆容量（546 mAh g-1 @ 0.05 A g-1）、倍率性能（140 mAh g-1 @ 50 A g-1）、首圈庫倫效率（ICE，84%）和低溫容量（443 mAh g-1 @ -40℃）。此外，該工作詳細分析了不同溫度（-40~25 ℃）下影響硬碳鈉儲存動力學的影響因素，并發現硬碳材料的儲鈉動力學受到電極結構、電極/電解液界面化學特質和電解液性質的綜合影響，合適的體相和界面結構可以保證硬碳在常溫下獲得優異的倍率性能，和低溫小倍率下搞得電化學性能；而在低溫（-40 ℃）下電荷轉移阻抗(Rct)急劇升高，表明硬碳電極中的Na+去溶劑化可能是低溫下硬碳儲鈉的決速步驟。
【本文要點】
1. 構建調節良好的微結構通過高角度環形暗場掃描透射電鏡和同步輻射，證明Zn單原子被成功引入，并且均勻分布在硬碳基底上。通過Zn原子摻雜來調節硬碳的體相及表面結構，優化后的Zn-HC材料具有擴展的石墨區域（d002 = 0.408 nm）和高度發達的納米孔（直徑~0.8 nm）和更低的缺陷含量。