中南大学梁叔全团队《AM》：提高钠离子电池碳基负极材料性能！

大量研究表明，通过杂原子掺杂提高碳质阳极的倍率能力是由于层间距的扩大增加了二次控制的工作容量，从而提高了碳阳极的倍率性能，最终提高了碳阳极的倍率性能。然而，当扫描速率大于1 mV s^-1时，扩散控制的容量的比例小于30%，则说明对炭质阳极倍率能力提高原理的认识仍然不准确。

 

中南大学梁叔全等人研究发现，杂原子掺杂对体相碳层间距影响不大，说明掺杂难以提高扩散效应的控制能力。然而，在拉应力协同作用下，次表层的层间距明显扩大到0.40 nm，这将增加高电流密度下可接近的次表层的厚度。因此，SRNDC700电极在20和50A g⁻¹时的比容量分别为160.6和69.5mAh g⁻¹。此外，碳结构的高度可逆性确保了超长循环的稳定性，因此，即使在10A g⁻¹下进行6 000次循环之后的SRNDC700的衰减率也只有0.0025%。本文对掺杂改善炭质阳极电化学性能的机理有了新的认识，为碳掺杂提供了一种新的设计思路。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202100808

 

在本工作中，多孔前驱体的硫化是通过在炭化完成之前引入硫形成CSSC键来实现的。与孤立杂原子掺杂不同的是，CSSC的键角可以引起较大的结构畸变，因此更能有效地扩大层间距。非原位测试表明，CSSC键在放电/充电过程中发生了可逆的钠化/脱盐反应，因此具有较长的循环稳定性。高分辨透射电镜(HRTEM)表征表明，杂原子掺杂对体相层间距影响不大，但通过与拉应力的协同作用，显著扩大了亚表面区域的层间距。扩展的层间距减小了次表层的扩散阻力，增加了次表层的可达厚度，从而提高了伪电容。层间距的增大减小了次表层的扩散阻力，增加了次表层的可达厚度，从而提高了伪电容容量。

在电流密度为20和50A g⁻¹时，电极的比容量分别为160.6和69.5mAh g⁻¹。在10A g⁻¹(约80s充放电时间)下循环6000次后，平均容量衰减率仅为0.0025%。同时，本文还测试了SRNDC-700在半电池和Na₃V₂(PO₄)₃||SRNDC-700全电池中不同面积负载下的电化学性能。这项工作有望为研究掺杂对结构的影响提供新的见解，并为分析伪电容提供一种新的方法。（文：SSC）

 

图1.富硫氮掺杂三维多孔碳骨架(SRNDC)CSSC键的扩展亚表面区域和可逆电离/去电离示意图

 

图2. a-c)SRNDC-700的SEM图像和d)元素映射图像(C、N和S)。

图3| a)X射线折射率曲线，b)SRNDC和NDC的S 2p 谱和c) SRNDCs和NDC的拉曼散射光谱。。

 

图4.在0.01-3.0V电压范围内，SRNDCs和NDC作为半电池阴极对Na/Na⁺的电化学特性。

 

图5.a)以SRNDC-700为阳极，Na₃V₂(PO₄)₃为阴极的钠离子全电池示意图。b)照片显示，Na₃V₂(PO₄)₃||SRNDC-700全电池可以点亮52个LED灯泡。

 

图6.a)扫描速率从0.1mV s⁻¹到1 mV s⁻¹的CV曲线，b)在选定峰值电流下的log(I)与log(V)曲线，以及c)1.0 mV s⁻¹时SRNDC-700的伪电容和扩散贡献。