Energist 能源学人 2023-03-29 10:51 发表于广东

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第一作者：陆峙秀

通讯作者：赵玉峰*        

【研究背景】

资源丰富且价格低廉的钠离子电池非常有潜力成为下一代可持续利用的大规模储能系统，但是目前缺乏合适的电极材料，尤其是负极材料。硬碳材料由于具有较低的平台电位，良好的结构稳定性和低廉成本，被认为是钠离子电池中最有可能商业化应用的负极材料。迄今为止，硬碳还不能够在宽温度范围内兼顾高容量、高倍率和长循环稳定性，这主要是因为硬碳的电化学性能受到硬碳本身的结构，材料/电解液界面化学特质和电解液性质的综合影响，这限制了其实际应用和商业化推广。        

【文章简介】

基于此，上海大学赵玉峰教授课题组，在国际顶级期刊Advanced Materials 上发表题为“Zinc Single-Atom Regulated Hard Carbons for High Rate and Low Temperature Sodium Ion Batteries”的研究文章。该工作报道了一种锌（Zn）单原子掺杂的硬碳材料（Zn-HC），Zn单原子的掺杂能够调节硬碳的体相及表面结构。优化后的Zn-HC具有更大的碳层间距（d002 = 0.408 nm）和适合的纳米孔（直径~0.8 nm）和更低的缺陷含量，有利于快速的钠离子插层及填孔。另一方面，Zn-N4-C结构能够催化电解质盐NaPF6的快速分解，构建薄且富含无机物的固体电解质膜（SEI）并加快界面Na+存储动力学；另一方面单原子Zn可在硬碳体相触发局域电场，降低了Na+扩散能垒（0.60 eV vs 1.10 eV），提升体相Na+存储动力学。所制备的Zn-HC材料表现出高的可逆容量（546 mAh g-1 @ 0.05 A g-1）、倍率性能（140 mAh g-1 @ 50 A g-1）、首圈库伦效率（ICE，84%）和低温容量（443 mAh g-1 @ -40℃）。此外，该工作详细分析了不同温度（-40~25 ℃）下影响硬碳钠储存动力学的影响因素，并发现硬碳材料的储钠动力学受到电极结构、电极/电解液界面化学特质和电解液性质的综合影响，合适的体相和界面结构可以保证硬碳在常温下获得优异的倍率性能，和低温小倍率下搞得电化学性能；而在低温（-40 ℃）下电荷转移阻抗(Rct)急剧升高，表明硬碳电极中的Na+去溶剂化可能是低温下硬碳储钠的决速步骤。        

【本文要点】

1. 构建调节良好的微结构通过高角度环形暗场扫描透射电镜和同步辐射，证明Zn单原子被成功引入，并且均匀分布在硬碳基底上。通过Zn原子掺杂来调节硬碳的体相及表面结构，优化后的Zn-HC材料具有扩展的石墨区域（d002 = 0.408 nm）和高度发达的纳米孔（直径~0.8 nm）和更低的缺陷含量。