中國(guó)粉體網(wǎng)訊

背景介紹

硬碳材料因其低成本以及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)已成為鈉離子電池最具應(yīng)用潛力的負(fù)極材料之一。然而，針對(duì)其表面富缺陷特性衍生的低庫(kù)倫效率這一困擾硬碳應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，行業(yè)內(nèi)一般通過(guò)表面包覆的策略予以針對(duì)性解決。然而，常用的包覆層（如軟碳、石墨、碳納米管、Al2O3等）由于對(duì)鈉離子無(wú)反應(yīng)活性或碳層間距較小而無(wú)法作為儲(chǔ)鈉位點(diǎn)，會(huì)造成硬碳材料的容量下降。因此，如何設(shè)計(jì)并開展兼具首效提升與容量貢獻(xiàn)的表界面構(gòu)造是提升硬碳在鈉離子電池高效應(yīng)用的關(guān)鍵。進(jìn)一步地，闡明基于功能化修飾層改性的硬碳負(fù)極的儲(chǔ)鈉作用機(jī)制，亦可為硬碳負(fù)極的精準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)調(diào)制提供理論支撐。

研究方法

通過(guò)無(wú)催化劑的低壓化學(xué)氣相沉淀法在硬碳顆粒的表面原位生長(zhǎng)了具有自彎曲特性的石墨烯層。利用離位TEM揭示了卷曲石墨烯的生長(zhǎng)過(guò)程，另外通過(guò)SAXS、Raman、XPS等表征手段探明了卷曲石墨烯調(diào)控硬碳表面缺陷的作用機(jī)制；進(jìn)一步地，通過(guò)贗電容、不同電位下的Raman和深度刻蝕XPS等方法協(xié)同揭示了自卷曲石墨改性硬碳負(fù)極材料在低電位平臺(tái)區(qū)的鈉離子儲(chǔ)存行為。

成果簡(jiǎn)介

西北工業(yè)大學(xué)謝科予教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)低壓CVD方法在硬碳表面原位生長(zhǎng)出由外延生長(zhǎng)的卷曲石墨烯組成的改性層。表面的卷曲石墨烯不僅提高了硬碳的電子/離子導(dǎo)電性，而且還有效地屏蔽了其表面缺陷，增強(qiáng)了其庫(kù)倫效率。由于卷曲石墨烯（CG）的自發(fā)卷曲結(jié)構(gòu)特征，形成的微孔（≤2nm）提供了額外的活性位點(diǎn)，增加了其比容量。當(dāng)用作鈉離子電池的負(fù)極時(shí)，HC/CG復(fù)合材料顯示出358mAh·g-1的高可逆容量和88.6%的首次庫(kù)倫效率，5A·g-1大電流放電條件下仍獲得145.8mAh·g-1比容量，1A·g-1下循環(huán)1000次后仍具有88.6%的容量保持率，表明其具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為硬碳負(fù)極提供了一種簡(jiǎn)單有效的表面局域缺陷/微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，并加深了對(duì)低壓平臺(tái)區(qū)Na+儲(chǔ)存行為的理解，特別通過(guò)形成準(zhǔn)金屬團(tuán)簇作為儲(chǔ)鈉行為的孔隙填充機(jī)制。

圖文導(dǎo)讀

圖1（a）卷曲石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)制示意圖。（b-e）卷曲石墨烯在不同生長(zhǎng)階段的TEM圖像。

圖2（a-d）HC和HC-G1.5樣品的TEM和HRTEM圖像。(e)各樣品的N2等溫吸脫附曲線。（f）通過(guò)BJH方法檢測(cè)的樣品孔徑分布。（g）HC-G1.5的SAXS曲線擬合信息。

圖3（a）HC和HC-G1.5的拉曼分峰信息。（b）HC和HC-G1.5的XPS圖譜。（c）HC，HC-G1，HC-G1.5，HC-G3和HC-G5的首圈充放電曲線。（d，e）HC和HC-G1.5循環(huán)前后的EIS譜。

圖4（a）HC和HC-G1.5在1C下的循環(huán)曲線。（b）不同樣品的倍率性能對(duì)比。（c，d）HC和HC-G1.5在不同電流密度下的充放電曲線。（e，f）不同電流密度下HC和HC-G1.5在各電位區(qū)間下的容量分布。

圖5（a，b）HC和HC-G1.5的CV曲線。（c，d）CV曲線中l(wèi)og(ip)對(duì)log(υ)的線性擬合。（e，f）HC和HC-G1.5在1mVs-1下的贗電容貢獻(xiàn)細(xì)節(jié)圖。（g，h）不同掃描速下的贗電容貢獻(xiàn)百分比。（i）由GITT測(cè)試得到的不同電位下的鈉離子擴(kuò)散系數(shù)。

圖6（a）HC-G1.5在不同放電點(diǎn)位下的XPSNa1s圖譜。（b）HC和HC-G1.5在嵌鈉態(tài)下不同深度的XPSNa1s圖譜。（c）HC和HC-G1.5在不同放電電位下的Raman圖譜。（d）HC-G1.5||NLNMO全電池的倍率性能。（e）HC-G1.5||NLNMO在0.2C下的循環(huán)曲線。（f）與其他工作的比較。（g）鈉離子在微孔中形成準(zhǔn)金屬團(tuán)簇的示意圖。

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！