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北理工孫克寧團隊在《Advanced Energy Materials》發表鈉離子電池負極研究新成果

  近日,北京理工大學化學與化工學院孫克寧團隊在高倍率、長循環鈉離子電池負極研究方面取得新的研究進展。通過構建介孔中空結構并采用雜原子調控碳層間距,獲得了具有較高倍率性能及循環穩定性的碳負極材料。該研究成果以《Heteroatom-Doped Mesoporous Hollow Carbon Spheres for Fast Sodium Storage with an Ultralong Cycle Life》為題在線發表在國際能源類頂級期刊《Advanced Energy Materials》(《先進能源材料》,影響因子21.8)。本文的通訊作者為孫克寧教授及孫旺特別副研究員,第一作者為北京理工大學化學與化工學院博士研究生倪丹。

  鈉離子電池與鋰離子電池相比具有資源豐富,價格低廉的優勢,可以作為新一代儲能電池。考慮到儲能電池應用環境中可再生能源的間歇性及波動性,以及儲能系統的經濟性,開發高倍率、長循環性能的電極材料是鈉離子電池應用中亟待解決的問題。碳負極材料由于其低成本及環境友好性,有較高的商業化前景。然而,在充放電過程中,由于鈉離子的離子半徑較大,會造成離子擴散速率緩慢,還會產生較大的電極體積變化,導致電池的倍率性能及循環穩定性差,制約了碳材料的實際應用。為了實現鈉離子電池的高倍率、長循環性能,需要碳電極材料具有快速的電子與離子傳導能力,并保證充放電后電極結構的穩定性;為了半徑較大的鈉離子快速擴散,需要對碳層間距進行調控。

  基于以上材料設計思路,孫克寧團隊基于聚多巴胺表面涂覆技術及雜原子摻雜碳結構調控方法,制備了鈉離子電池負極材料——硫氮共摻雜的介孔中空碳球(SN-MHCSs),并對其儲鈉機制及循環后碳結構變化進行了分析。該研究表明:1.薄壁中空球形結構,有利于離子和電子傳導,能夠緩沖充放電過程中的體積變化,碳球表面的介孔結構,能夠促進電解液的擴散及碳球內表面的利用,較高的比表面積可以確保表面電容過程控制的快速鈉儲存。2.雜原子摻雜,能夠增大碳層層間距,促進鈉離子的擴散及存儲,增加電子導電性,提升容量。3.循環過程中,鈉離子的嵌入脫出能夠擴大碳層間距,使碳層排布更加整齊,促進鈉離子及電子的傳輸,帶來循環后電極容量上升。

  本研究為高倍率、長循環鈉離子電池負極材料的發展提供了新思路,這種結構還可以應用于其他需要快速電子/離子傳輸、長期循環穩定性的能源體系中。

  文章詳情: Dan Ni, Wang Sun*, Zhenhua Wang, Yu Bai, Hongshuai Lei, Xinhua Lai, Kening Sun*. Heteroatom‐Doped Mesoporous Hollow Carbon Spheres for Fast Sodium Storage with an Ultralong Cycle Life. Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201900036).

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201900036

 

作者簡介:

  孫克寧,北京理工大學教授,博士生導師,教育部長江學者特聘教授、教育部創新團隊帶頭人、化學電源與綠色催化北京市重點實驗室主任,曾獲國家級獎勵3項,省部級獎勵8項。主要從事電化學、新能源材料領域的交叉研究,已在Nature Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Letter等國際學術期刊發表論文330余篇,他引近6000次,獲得國家發明專利授權40項。2014-2018年連續五年獲Elsevier中國高被引學者(能源領域)。

  孫旺,北京理工大學特別副研究員,博士生導師,主要從事能源儲存與轉換材料、器件及系統集成研究工作,曾獲國家技術發明獎二等獎1項、教育部科技進步獎一等獎1項,在Adv Energy Mater.、J. Mater. Chem. A、Nanoscale 、Chem. Comm.等國際學術期刊發表論文30余篇,獲國家發明專利授權1項。

  

  

  

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