<video id="fz3vv"><big id="fz3vv"><th id="fz3vv"></th></big></video>

        <var id="fz3vv"><thead id="fz3vv"></thead></var>
        <ruby id="fz3vv"><span id="fz3vv"><span id="fz3vv"></span></span></ruby>

            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能

            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能

            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能

            01

            研究背景

            鈉離子電池因鈉源儲量豐富以及成本低廉而被認為能應用于大規模儲能。但傳統的石墨負極難以儲存鈉離子,因此開發高容量、倍率優異、循環穩定且資源豐富的負極材料成為鈉離子電池的研究重點。

            硬碳是由大量畸變的石墨納米晶體及其形成的孔道組成,具有250-300 mAh/g的鈉離子存儲容量而受到廣泛研究。碳材料的典型嵌鈉過程分為兩個階段:高電壓1.5-0.1 V的斜坡區以及低電壓0.1-0.01 V的平臺區。目前嵌鈉機理形成的共識為:斜坡區的容量貢獻主要歸因于鈉離子在結構缺陷和邊緣的吸附以及在摻雜或畸變的石墨納米晶體處的嵌入;平臺區則主要為鈉離子在孔道中的沉積過程和少量的嵌入反應。硬碳中超過一半的容量來自于平臺區,該區域可能有鈉枝晶的生長,造成安全問題,同時鈉離子嵌入過程一般為動力學較慢過程,因而倍率性能較差。斜坡處容量貢獻主要來自于鈉離子可逆的法拉第電容性吸附過程,該過程不包括固相離子傳輸,可以顯著加快鈉離子的存儲。從理論上講,這種由活性位點主導的過程在充放電過程中不會改變主體材料的結構,能促進電極材料在循環過程中的穩定性。因此,該文作者通過利用多種活性位點來促進碳材料與鈉離子間的快速鍵合和斷鍵過程,減少甚至放棄了傳統鈉離子儲存中的嵌入和沉積過程,實現了鈉離子的穩定快速存儲。

            02

            研究亮點

            1.合成新思路:設計合成具有表面多活性位點碳負極材料。

            2.機理新思路:利用表面活性位點實現快速充放電,提升倍率性能。

            03

            成果簡介

            為實現鈉離子電池負極材料的快速充放電特性,近日南京工業大學霍峰蔚教授作為通訊作者在國際頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.上發表題為“Multiple Active Sites of Carbon for High Rate Surface Capacitive Sodium Ion Storage”研究性論文。該文章報道了一種提升鈉離子電池倍率性能的新策略:利用碳材料作為負極實現電容性快速儲鈉,改善鈉離子電池的高倍率性能。

            04

            圖文導讀

            1.形貌分析

            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能 圖1 設計的碳結構和鈉離子儲存過程示意圖

            要點解讀:如圖1所示,本文通過N,P摻雜和介孔設計獲得具有多活性位點的無定形碳球。MAC通過水解和碳化的過程得到,其中雞蛋具有豐富的蛋白質和磷脂,包含大量的N、P,成為最有優勢的碳源。

            制備步驟:首先,蛋黃放進裝有去離子水和乙醇(v:v=1:1)的燒杯中,攪拌15 min后加入氨水,調節Ph值為9,再緩慢滴加3 mL TEOS(tetraethyl orthosilicate),再500 rpm攪拌6小時。攪拌結束后,將淺黃色黏性液體經過冷凍干燥后在600 ℃或1000 ℃下進行碳化,經過洗滌、干燥后得到MAC-600和MAC1000。Multiple Active Sites of Carbon(MAC)

            2.結構分析

            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能 圖2 (a)和(b):MAC-600的SEM圖;(c),(d),(e):MAC-600的TEM圖;(f)MAC600的高分辨TEM圖(內插圖為SAED);(g)MAC的元素分布圖

            要點解讀:如圖2所示,多活性位點修飾的碳材料(MAC-x,x為煅燒溫度)由SEM觀察到碳球直徑約700 nm,孔徑為5~2nm。高分辨TEM未觀察到明顯的石墨層狀結構,說明MAC-600材料為無定形態,這可能是由低溫煅燒引起。圖2(g)的元素分析證明了N,P和表面氧化的均勻分布。

            3.結構與表面分析

            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能圖3 (a)XRD曲線;(b)Raman譜圖;(c)MAC樣品的N2吸脫附曲線

            要點解讀:圖3(a)中MAC-600的XRD曲線在25.5°和43°的寬峰分別屬于(022)和(100)晶面,XRD測試證實MAC-600為無定形結構。在Raman(圖3(b))中,在1350 cm-1和1580 cm-1處的峰分別歸屬于D帶(具有缺陷或畸變的石墨)和G帶(結晶石墨)。通過氮氣吸脫附測試進一步證明了該材料的多孔結構。其中吸附曲線為典型的IV型曲線,表示為介孔。BET測試得到表面積以及孔道總體積353.07 m2 g-1和0.74 cm3 g-1。

            4.元素分析

            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能 圖4 MAC-600的XPS譜圖:(a)研究范圍,(b)C 1s的高分辨XPS,(c)N 1s,(d)P 2p

            要點解讀:如圖4所示,利用XPS對MAC-600的表面元素以及鍵合狀態進行了探究。研究結果說明材料表面存在C,N,O,P元素。其中高分辨C 1s(圖4(b))譜可以擬合得到多個峰,即C-C,C-P,C-N,C-O以及O-C=O,證明了無定形碳材料的雜原子摻雜態。圖4(c)中N 1s擬合得到兩個不同的N的摻雜態。而P 2p的譜圖則證明了P-C(133.3 eV)和P-O(134.eV)的存在。N和P的摻雜為碳創造了更多的缺陷并產生更多的活性位點,加速電荷轉移,改善了鈉離子的快速儲存容量。

            5.機理探究:CV分析

            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能圖5 (a)MAC-600在0.01-3.0 V,0.1 mV/s的循環伏安曲線;(b)不同掃速下的循環伏安曲線;(c)ln(i)~ln(ν)的線性擬合;(d)0.1 mV/s的總電流和電容性電流;(e)不同掃速下的電容性電流占比,CCP表示電容為控制過程,DCP表示擴散為控制過程

            要點解讀:循環伏安測試探究了MAC-600的可逆電化學儲鈉過程。在0.01-3.0 V,0.1 mV/s條件下的循環伏安曲線(圖5(a))中,首圈放電過程在1.0 V處出現寬峰,歸因于電極上不可逆副反應的發生以及SEI的形成。而0.1 V的可逆氧化峰則為鈉離子在石墨中的嵌入和沉積過程。0.3-3 V之間的矩形曲線表示鈉離子的電容性吸附行為。根據已有研究,電容性吸附行為滿足方程:i=ανb,計算不同掃速的循環伏安曲線得到的b值(圖5(b))能揭示鈉離子存儲的動力學性質。當b接近0.5時,可推斷鈉離子儲存過程為擴散控制,而當b接近1時,則為電容控制。圖5(c)的擬合結果說明高電壓區的容量貢獻全部來自于活性位點的吸附?;钚晕稽c的電容性貢獻占比可根據公式計算得到:i(V)=k1ν+k2ν1/2,其中k1ν和k2ν1/2分別表示擴散和電容性貢獻。k1和k2的計算結果如圖5(d)和(e)所示,揭示了鈉離子存儲的主要容量來自于快速的電容性過程。

            6.電化學性能

            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能圖6 放電后的XPS對比:(a)N,(b)P;(c)MAC-600的充放電曲線;(d)MAC-600和MAC-1000在不同電流密度下的容量對比;(e)MAC600的GITT和擴散曲線;(f)MAC-600在10 A/g的循環性能

            要點解讀:恒電流充放電測試進一步探究了該材料的電化學性能。放電至0.3V后再放電至0.1V,XPS測試發現N和P的結合能均向低能方向移動(圖6(a)),說明鈉離子和摻雜原子之間成功鍵合。圖6(c)為MAC600在0.1 A/g條件下的充放電曲線,進一步證明了鈉離子儲存為電容性的化學吸脫附過程。圖6(d)為MAC-600和MAC1000的倍率性能圖,兩種材料均能達到300 mAh/g的容量。相比MAC-1000,MAC-600在大電流密度下能提供更穩定的容量,例如當電流為10 A/g,容量依然保持為165 mAh/g。GITT(圖6(e))則探究了鈉離子存儲的動力學性質。鈉離子的擴散能力隨著電壓下降而衰減,而從0.1 V脫鈉過程開始則躍升到較高值,說明鈉離子為化學吸附并聚集在活性位點處。為了存儲在碳材料中,其他鈉離子需要克服表面鈉離子的排斥力。該現象也是鈉離子儲存于活性位點的又一證據。需要指出的是約1 V處鈉離子擴散能力先增減后減小,這可能是因為在該電位處雜原子與鈉離子發生化學鍵合,此過程能促進鈉離子的擴散。如圖6(f)所示,MAC-600在10 A/g循環10000圈后幾乎沒有容量衰減,歸因于大量可用于快速鈉離子電容性存儲的活性位點。

            05

            文章總結

            本文作者提出了利用多種活性位點實現快速鈉離子化學存儲的策略,并設計合成了雜原子摻雜的具有多種多種活性位點的MAC-600材料,并具有優異的倍率性能:在10 A/g條件下循環10000圈后容量超過200 mAh/g。未來也可將該策略應用到其他鈉離子電池高倍率電極材料的設計中。

            06

            文獻信息

            Multiple Active Sites of Carbon for High Rate Surface Capacitive Sodium Ion Storage(Angew. Chem. Int. Ed.,DOI:10.1002/anie.201908159)

            原文鏈接

            https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908159

            供稿丨深圳市清新電源研究院

            部門丨媒體信息中心科技情報部

            撰稿人 | 豬妹

            主編丨張哲旭


            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能

            清新電源投稿通道(Scan)


            南京工業大學Angew:多活性位點碳負極-利用電容存儲實現鈉離子電池高倍率性能

            本站非明確注明的內容,皆來自轉載,本文觀點不代表清新電源立場。

            發表評論

            登錄后才能評論