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Carbon:富含N,O,P元素的三维碳网络用于钠离子电池的快速储存

日期:2020-09-23 阅读:


伴随着多种多样电子产品、新能源汽车的迅速发展及5G时代对高效储能产品的市场需求,使钠离子电池成为大规模储能的最佳选择之一。然而常用于锂电池负极的石墨却很难与钠形成具有热力学稳定性的插层化合物。因此,开发一种适用于钠离子电池的负极材料是目前研究的关键。无定形碳作为一种典型的非石墨碳被认为是最合适的负极材料,这得益于其大量的纳米孔隙和随机堆积的石墨片层可以为钠离子提供丰富的活性位点。然而,大多数无定形碳材料都具有可逆容量低、倍率性能差等问题。

针对以上问题,西北工业大学化学与化工学院黄英教授课题组以淀粉为碳源,尿素和植酸分别为氮源和磷源,经过一步碳化法(1)得到了一种富含N,O,P的三维碳网络(NOP-CN)。用作钠离子电池负极材料展现出良好的钠存储能力(在50 mA g-1下,可逆容量为341.3 mA h g-1)、优异的速率性能(在10 A g-1下,可逆容量为95.2 mA h g-1)和稳定的循环性能(在5 A g-1下循环2000次循环后,可逆容量维持在119.1 mA h g-1)。

1 NOP-CN的制备流程图。

优异的电化学性能归功于以下几点(2):(1)三维网络结构便于电解液的充分浸润,为电化学反应提供充分的保障,同时利于电子的快速传输,增强材料的导电性;(2)丰富的杂原子(N,O,P元素总含量为25.86%)可以扭曲碳层结构,增大石墨片层间距,产生更多的缺陷和活性位点,为钠离子的快速嵌入提供了便捷条件;(3)由于杂原子与碳原子之间的电负性不同,使碳材料的结构内部形成更多的缺电子体系,提升碳材料对钠离子的吸附能力。采用密度泛函理论(DFT)也证实N,O,P共掺杂可以增强碳材料对钠离子的吸附能力,降低钠离子在石墨层之间的扩散屏障,使碳材料具有良好的钠存储能力。该研究不仅为钠离子电池负极材料的制备提供了一种新思路,同时为未来的研究提供了一定的理论基础。

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      图2 N,O掺杂碳网络(NO-CN)和N,O,P掺杂碳网络(NOP-CN)的(a)储钠模型示意图和(b)性能对比图。

该工作以“N/O/P-rich Three-dimensional Carbon Network for Fast Sodium Storage”为题发表于国际期刊Carbon (DOI: 10.1016/j.carbon.2020.08.042)。论文第一作者为西北工业大学陈晨博士,通讯作者为西北工业大学黄英教授。该项研究得到了国家自然科学基金项目(51872236)的支持。