2022-06-10
 
裁剪硬碳阳极中的缺陷以提高钠存储性能
2022年06月10日   阅读量:111

目前,锂离子电池(LIB)作为商业电子和电动汽车的先进储能系统,在世界范围内备受关注。然而,锂资源的低丰度和不均匀分布促使人们认识到,锂离子电池可能无法满足电网规模电化学储能系统不断增长的需求。为了推动更多研究,寻找更丰富、更廉价的候选电池,中国的研究人员评估了钠离子电池(SIB),并为更可持续、更经济的电池提供了新型硬碳阳极。

他们于3月10日在《能源材料进展》杂志上发表了他们的研究成果。

“钠离子电池(SIB)因取代锂离子电池而备受关注,”论文作者、北京理工大学材料科学与工程学院教授应白表示。“由于具有成本效益、取之不尽用之不竭的钠资源、钠与锂的类似化学性质以及与锂离子电池类似的运行机制,开发SIBs是非常可取的。因此,开发具有优异速率性能、良好循环稳定性和高能量密度的先进电极材料至关重要。”

Bai解释说,在各种阳极材料中,碳材料可能是最有可能的候选材料,因为其具有多种优势,例如低成本、易获得和高循环性能。

Bai说:“石墨是最有前景的碳基阳极,几十年来一直在LIBs中商业化使用。然而,石墨不是SIBs的合适选择,因为它不能形成钠-石墨插层化合物(Na-GIC)。”。“软碳阳极也显示出相对较低的钠存储容量,这是由于离子嵌入的层间距离不足。与软碳和石墨相比,硬碳(HCs)具有相对较高的钠存储容量,因为更为不均匀的结构包含弯曲的石墨畴,具有较大的层间间距用于钠插入,以及大量的纳米孔和用于钠吸附的边缘端接。"

然而,一些障碍阻碍了HCs的商业化。Bai认为,HCs面临的关键挑战,尤其是其低冰、低循环稳定性和低速率能力,仍然需要深入勘探。低冰意味着侧面存在非互易的钠离子损失,在包装完整电池时,需要从超比例阴极提取足够的钠离子供应,这会降低完整电池的总能量密度和循环性能。低速率性能限制了其在大功率电子器件中的应用,低循环性能严重阻碍了SIBs的实际实现。因此,需要先进的材料工程策略来提高HC阳极的SIB性能。

Bai说,为了提高HCs的钠存储性能,许多研究集中于具有大比表面积(SSA)的非晶态碳或具有更多缺陷的杂原子掺杂碳材料,例如多孔碳、纳米碳或通过阴离子掺杂杂原子的碳。Bai和她的团队综述了HC阳极材料工程策略的进展。

首先,纳米结构设计在构建具有层次和复杂结构、形态和维度的碳方面提供了可控的加工优势。其次,具有相互连接的微/中/大孔隙的孔隙工程可以改善离子扩散和内部活性位点的利用。第三,缺陷工程可以有效地促进碳的电化学活性,从而提供高的存储容量。

不幸的是,Bai说,较大的SSA和碳结构中的过度缺陷都会导致电解质的不可控分解,形成不均匀和不稳定的固体电解质相间膜(SEI),导致低冰、低循环稳定性和钠扩散率降低。因此,Bai认为,新的材料优化策略是非常可取的。

“引入阳离子还可以调节HCs的微观结构,如层间间距、电子导电性、石墨微畴和重建表面功能等,同时不会形成额外的活性缺陷或孔隙。因此,阳离子掺杂对于优化具有理想理化性能的高性能阳极HCs来说至关重要。在这项工作中,我们通过K+化学预吸收碳源的退火。钾离子被选择预先吸附在氧官能团和HCs中的一些缺陷上,以使这些活性位点失活,从而提高ICE和循环稳定性。"

白说:“钾的电离能很低,可以与带负电的含氧官能团结合,形成一个稳定的结构。”。“羰基和羟基等氧官能团以及碳上的一些缺陷位点可以作为K+的锚定位点。”Bai认为,K+通过形成C-O-K键并占据一些缺陷位置,以化学方式吸附在氧官能团上。

“因此,可以减少氧官能团对钠离子的不可逆吸附和其他缺陷,从而改进ICE,”Bai说。同时,预吸收的K+在高温碳化过程中会导致碳结构重排,从而增大层间距,提高石墨化程度Bai认为,这些结构演变导致Na+快速扩散和更高的电导率,因此K+预吸收硬碳的速率能力也得到提升,并且可以获得更好的冰和出色的循环稳定性。

本研究为提高HCs的电化学性能提供了一种新颖、高效、低成本的方法。白说,这种方法适合大规模生产,从而促进了HCs在SIB中的商业应用。

“虽然已经取得了巨大的成就,但用于SIBs的实用HC阳极的开发仍然面临着巨大的挑战,例如复杂的制造步骤、复杂的HCs微观结构、不清楚的钠存储机制等,”Bai说。“每种类型的碳材料都有其自身的发展瓶颈,这需要先进的战略来缓解这些问题。此外,深入了解SiB用碳材料的电化学反应机制对于高性能材料设计也同样重要。总的来说,HCs和SiB的商业化还有很长的路要走。”

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