Feng Wang, [a,b]# Lian Chen, [a] # Jiaqi Wei, [c] Caozheng Diao, [d] Fan Li, [b] Congcong Du, [a] Zhengshuai Bai, [b] Yanyan Zhang, [b] Oleksandr I. Malyi,* [a,e] Xiaodong Chen, [c] Yuxin Tang,* [a,b] Xiaojun Bao* [a,b]
摘要:硬碳被广泛认为是钠离子电池(SIB)最有前途的阳极材料。硬碳是一种不可塑化的碳,其特征是涡轮层结构,其碳层堆叠量无序,每个碳层都由几个纳米尺寸的石墨烯层组成。即使在2500°C以上的温度下也很难将其石墨。这种独特的结构,结合其低成本,高电导率,低工作电压和高容量,使硬碳可以实现出色的钠离子存储性能。这些特征使其成为商业上最可行的阳极材料。最近的研究还积极探索了生物质而不是高成本无机材料的使用,以降低生产成本,最大程度地减少生物质焚烧中的污染,并减少每年产生的大量生物废物。这项研究研究了源自木质素的硬碳阳极的性能,商业石墨作为对照。X射线衍射(XRD),拉曼光谱,扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子光谱(XPS)用于分析其晶体学结构,显微结构,显微结构和表面元素组成。电化学性能使用由EC/DEC/DEC(1:1 v/v)组成的电解质(1:1:1 v/v)在DEGDME中为5 wt%FEC和1M NAPF 6。通过在不同电解质条件下比较硬碳和石墨的电化学特性,本研究证明了硬碳作为钠离子电池应用的有希望的阳极材料的潜力。
硬碳是一种有希望的负电极材料,用于可充电钠离子电池,因为它们的前体准备就绪且可逆的电荷存储。驱动硬碳和随后的电化学性能的反应机制严格与这些材料电压填充中观察到的特征坡度和高原区域有关。这项工作表明,电子顺磁共振(EPR)光谱是一种强大而快速的诊断工具,可预测硬碳材料中gal-VanoStatic测试期间在坡度和高原区域中存储的电荷程度。EPR线形模拟和温度依赖性测量有助于分离在不同温度下合成的机械化学修饰的硬碳材料中旋转的性质。这证明了结构模构和电化学曲线中的电化学特征之间的关系,以获取有关其钠储存机制的信息。此外,通过现场EPR研究,我们研究了这些EPR信号在不同电荷状态下的演变,以进一步阐明这些碳中的存储机制。最后,我们讨论了研究的硬碳样本的EPR光谱数据与它们相应的充电存储机制之间的相互关系。
源自生物质废物资源的硬碳(例如燕麦片,稻壳,甘蔗渣,香蕉皮,花生贝壳,苹果Pomace和Corncob)受到了广泛的关注,这是由于可逆的能力以及成本和可持续性考虑因素。[6–12]碳化后生物质的自然微观结构保留在碳化后,提供大量的缺陷和毛孔以及随机取向的假含量结构域。[13]固有的通道和孔创建了相互联系的3D结构,可改善电解质渗透,并提供更多的钠途径和离子缓冲库。[14]此外,一些剩余的杂原子(N,S,P等)可以通过直接的电动积极共价键或引入发起电子受体状态的碳空位缺陷来提供更多的存储位点。[15]
来自生物质废弃物资源(如燕麦、稻壳、甘蔗渣、香蕉皮、花生壳、苹果渣和玉米芯)的硬碳因优异的可逆容量以及成本和可持续性考虑而受到广泛关注。[6–12] 生物质的天然微观结构在碳化后依然存在,提供大量缺陷和孔隙以及随机取向的伪石墨域。[13] 固有的通道和孔隙创建了相互连接的 3D 结构,改善了电解质的渗透并提供更多的钠通道和离子缓冲库。[14] 此外,一些剩余的杂原子(N、S、P 等)可以通过直接电化学活性共价键或通过引入产生电子受体态的碳空位缺陷来提供更多的储存位点。[15]
第一个周期的差异在用石墨作为阳极和用硬碳作为阳极的阳极和Na-ion电池之间的不可逆损失
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保持可持续性,材料必须丰富,便宜且无毒。毒性并不是唯一的安全问题。由于锂离子电池的易燃性引起的事件经常在媒体中报道。这些设备的易燃性通常与非水电解质有关。电解质也有助于毒性和高成本,部分原因是使用氟化盐。[2-5]解决这些缺陷对于钠离子蝙蝠特别是至关重要的,因为可持续性和安全性至关重要。幸运的是,有一个动力来解决电池中使用的电解质的易燃性质。减轻易燃性的一种常见策略是将有机磷化合物用作电解质溶剂。[6-12]有机磷化合物是多种应用中使用的常见火焰阻燃剂。[13]但是,其中几种化合物对环境和健康有负面影响。[14,15]
可持续,材料必须丰富、廉价且无毒。然而,毒性并不是唯一的安全隐患。媒体经常报道因锂离子电池易燃而发生的事故。这些设备的易燃性通常与非水电解质有关。电解质也导致了毒性和高成本,部分原因是使用了氟化盐。[2–5] 解决这些缺陷对于钠离子电池尤为重要,因为可持续性和安全性至关重要。幸运的是,人们正在努力解决电池中使用的电解质的易燃性。减轻可燃性的一种常用策略是使用有机磷化合物作为电解质溶剂。[6–12] 有机磷化合物是一类常见的阻燃剂,用于各种应用。[13] 然而,其中一些化合物对环境和健康有负面影响。[14,15]
硬碳(HC)是网格级钠离子电池(NIB)的有吸引力的阳极材料,这是由于碳的广泛可用性,其高特定能力和低电化学工作潜力。然而,需要解决第一周期库仑的效率和较差的HC的问题,以使其成为NIB的实用长期解决方案。这些缺点似乎是电解质依赖性的,因为与碳酸盐电解质相比,基于醚的电解质可以在很大程度上改善性能。对这些性能差异背后机制的解释对于高度可逆的钠储存的合理设计至关重要。结合气相色谱,拉曼光谱,低温传递电子显微镜和X射线光电子光谱,这项工作表明,固体电解质中相(SEI)是基于乙醚和碳酸电解质之间的关键不同,这确定了电荷转移Kinetics和parasitic反应的范围。尽管两个电解质都没有在HC散装结构中储存的残留钠,但基于醚的电解液形成的均匀和共形SEI可以提高循环的效率和速率性能。这些发现突出显示了通过界面工程使用HC阳极实现长寿命级笔尖的途径。