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Carbon:富含N,O,P元素的三維碳網絡用於鈉離子電池的快速儲存
發布時間:2020-09-23     作者:   分享到:

伴隨著多種多樣電子產品、新能源汽車的迅速發展及5G時代對高效儲能產品的市場需求,使鈉離子電池成為大規模儲能的最佳選擇之一。然而常用於鋰電池負極的石墨卻很難與鈉形成具有熱力學穩定性的插層化合物。因此,開發一種適用於鈉離子電池的負極材料是目前研究的關鍵。無定形碳作為一種典型的非石墨碳被認為是最合適的負極材料,這得益於其大量的納米孔隙和隨機堆積的石墨片層可以為鈉離子提供豐富的活性位點。然而,大多數無定形碳材料都具有可逆容量低、倍率性能差等問題。

針對以上問題,西北工業大學9号彩票黃英教授課題組以澱粉為碳源,尿素和植酸分別為氮源和磷源,經過一步碳化法(1)得到了一種富含N,O,P的三維碳網絡(NOP-CN)。用作鈉離子電池負極材料展現出良好的鈉存儲能力(在50 mA g-1下,可逆容量為341.3 mA h g-1)、優異的速率性能(在10 A g-1下,可逆容量為95.2 mA h g-1)和穩定的循環性能(在5 A g-1下循環2000次循環後,可逆容量維持在119.1 mA h g-1)。

1 NOP-CN的製備流程圖。

優異的電化學性能歸功於以下幾點(2):(1)三維網絡結構便於電解液的充分浸潤,為電化學反應提供充分的保障,同時利於電子的快速傳輸,增強材料的導電性;(2)豐富的雜原子(N,O,P元素總含量為25.86%)可以扭曲碳層結構,增大石墨片層間距,產生更多的缺陷和活性位點,為鈉離子的快速嵌入提供了便捷條件;(3)由於雜原子與碳原子之間的電負性不同,使碳材料的結構內部形成更多的缺電子體係,提升碳材料對鈉離子的吸附能力。采用密度泛函理論(DFT)也證實N,O,P共摻雜可以增強碳材料對鈉離子的吸附能力,降低鈉離子在石墨層之間的擴散屏障,使碳材料具有良好的鈉存儲能力。該研究不僅為鈉離子電池負極材料的製備提供了一種新思路,同時為未來的研究提供了一定的理論基礎。

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      圖2 N,O摻雜碳網絡(NO-CN)和N,O,P摻雜碳網絡(NOP-CN)的(a)儲鈉模型示意圖和(b)性能對比圖。

該工作以“N/O/P-rich Three-dimensional Carbon Network for Fast Sodium Storage”為題發表於國際期刊Carbon (DOI: 10.1016/j.carbon.2020.08.042)。論文第一作者為西北工業大學陳晨博士,通訊作者為西北工業大學黃英教授。該項研究得到了國家自然科學基金項目(51872236)的支持。