發布時間：2022年1月12日
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鈉離子電池因鈉資源豐富和成本低廉，被認為是替代鉛酸電池和補充鋰離子電池的最佳生力軍之一，這些優勢使得鈉離子電池在大規模儲能等領域具有極高的應用前景，是解決資源“卡脖子”問題和實現“雙碳”目標的重要技術。一直以來，通過設計高容量電極材料以提升電池的能量密度是科研人員的首要目標之一，然而，許多應用場景（如智能電網、5G基站、數據中心等）對電池的功率和安全性能也有著很高要求，因此發展高功率和高安全的鈉離子電池與提升能量密度同等重要。就負極材料而言，無定形碳是最具應用前景的負極材料，其典型充放電曲線由高電位的“斜坡”和低電位的“平臺”兩部分構成，其中斜坡段具有較快的離子傳輸速率和較高的電壓，有利于倍率性能的發揮和避免因過電位產生析鈉引發安全問題。雜原子摻雜等多種方法已被證明可通過調節表面電荷、增加表面缺陷和擴大碳層間距等促進Na+的吸附及表面贗電容反應，從而提升斜坡容量。然而，在提升斜坡容量的同時，部分引入的雜原子也會造成電解液分解、不可逆吸附Na+和觸發一些未知的副反應，造成首周庫侖效率的大幅降低，從而嚴重限制了“斜坡型”碳負極的實際應用。因此，開發兼具高斜坡容量和高首周庫侖效率的“斜坡型”碳負極材料對高功率和高安全鈉離子電池的開發至關重要，也是目前最大的挑戰之一。
鑒于此，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源重點實驗室E01組謝飛博士在陸雅翔副研究員和胡勇勝研究員的指導下，首次提出了一種雜原子構型篩選策略。通過對磷酸二氫鈉（NaH2PO4）處理的石油殘渣進行洗滌及二次碳化處理，實現了對摻雜的P和O雜原子構型進行篩選，將造成不可逆容量的C-O和PO3-構型過濾移除，同時將可提升可逆容量的C=O、PO23-/PO43-構型及衍生的自由基結構保留甚至增加，從而實現了約250 mAh/g的可逆斜坡容量和80%的首周庫侖效率。此外，與大量文獻以“平臺型”碳材料為模型研究儲鈉機制不同，作者反其道而行之，以這種沒有明顯平臺的“斜坡型”碳材料為模型，深入研究了其儲鈉機理，發現經篩選保留的雜原子構型促進了Na+的吸附和贗電容行為，主要提升了充放電曲線中0.1 V以上的容量，而在0.1 V以下的容量依然來源于擴散控制的氧化還原反應，這與具有平臺的碳負極儲鈉行為相似。作者通過原位X射線衍射排除了鈉離子在碳層間嵌入/脫出的“插層”行為，并討論了這一機制尚存爭議的原因。通過小角X射線散射發現，該段的儲鈉行為依然遵從在納米孔隙中的填充，但因其過小的孔徑使得平臺區容量未能發揮出來。最后，作者通過優化全電池體系，得到了優異的倍率和循環性能，即在20C（3min）高倍率下依然保留124 mAh/g（基于負極質量）的可逆比容量，3C循環2000周后容量保持率72%。該工作對設計和理解兼顧高斜坡容量和首周庫侖效率的“斜坡型”碳負極材料和發展高功率鈉離子電池提供了新思路。
該研究成果以“Screening Heteroatom Configurations for Reversible Sloping Capacity Promises High-Power Na-Ion Batteries”為題于2021年1月7日發表在Angewandte Chemie International Edition上。
相關工作得到了國家自然科學基金（51725206,52072403, 52122214,51861165201），中科院先導專項（XDA21070500），中科院青年創新促進會（2020006），中國博士后科學基金會（2021M693367）和北京市自然科學基金（2212022）的支持。
來源：中科院物理研究所官網 2022.1.12