雜原子摻雜已被證明能有效地提高鈉離子電池
中國科學(xué)院物理研究所胡勇勝、陸雅翔 等人提出了一種雜原子構(gòu)型篩選策略，以在低成本碳(石油殘留物)和雜原子前驅(qū)體(NaH2 PO4 )的基礎(chǔ)上，在普通的酯基電解質(zhì)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高斜坡區(qū)容量和高ICE。通過二次碳化工藝去除初始退火后的含鈉化合物，雖然雜原子的總百分比降低，但C=O和PO2 3- /PO4 3- 以及自由基的某些特定雜原子構(gòu)型仍可保持或改善，使得斜坡區(qū)容量達(dá)到了~250 mAh g-1 。另一方面，二次碳化降低了C-O和PO3 – 等不可逆構(gòu)型的百分比，使ICE恢復(fù)到80%。此外，作者還系統(tǒng)地研究了這種“斜坡區(qū)主導(dǎo)”碳的Na存儲(chǔ)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)：低電位區(qū)為擴(kuò)散控制過程，但過小的納米孔尺寸會(huì)導(dǎo)致Na的容納不理想，從而缺乏電壓平臺(tái)。由此產(chǎn)生的“斜坡區(qū)主導(dǎo)”碳負(fù)極還與不同的正極配對(duì)，以優(yōu)化全電池的性能。其中，將PO-SC-S負(fù)極與P2/O3型正極匹配時(shí)，該全電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能，在20 C下容量達(dá)到了124 mAh g-1 ，在3 C下循環(huán)1000圈后容量保持率達(dá)到了86%、2000圈后容量保持率達(dá)到了72%。結(jié)果表明，通過區(qū)分和過濾不可逆的雜原子構(gòu)型，可以使碳負(fù)極表現(xiàn)出高斜坡區(qū)容量和高ICE，從而實(shí)現(xiàn)高功率NIBs。 相關(guān)工作以《Screening Heteroatom Configurations for Reversible Sloping Capacity Promises High-Power Na-Ion Batteries 》為題在《Angewandte Chemie International Edition 》上發(fā)表論文。
圖1. 雜原子構(gòu)型篩選策略示意圖以及PO-SC-S負(fù)極的電化學(xué)性能
圖2. SC、PO-SC、PO-SC-S的結(jié)構(gòu)表征
總之，本文通過P/O摻雜、以及隨后的二次碳化工藝，成功研制出了具有高斜坡區(qū)容量和高ICE的“斜坡區(qū)占主導(dǎo)”碳負(fù)極材料。作者發(fā)現(xiàn)，雜原子的構(gòu)型比摻雜數(shù)量更為重要，二次碳化過程可以篩選、出去產(chǎn)生不可逆容量的C-O與PO3 – 構(gòu)型，改善可逆的C=O、PO2 3- /PO4 3- 以及自由基的某些特定雜原子構(gòu)型。此外，作者還系統(tǒng)研究了“斜坡區(qū)主導(dǎo)”碳的Na存儲(chǔ)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在低電位區(qū)也存在擴(kuò)散控制的過程，而納米孔過小不利于放電平臺(tái)形成。通過與不同的正極進(jìn)行配對(duì)，全電池可以得到優(yōu)化、以提供更優(yōu)越的倍率和循環(huán)性能。 Screening Heteroatom Configurations for Reversible Sloping Capacity Promises High-Power Na-Ion Batteries，Angewandte Chemie International Edition，2022，10.1002/anie.202116394
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202116394
胡勇勝，中科院物理研究所研究員。2001年在武漢理工大學(xué)材料學(xué)院獲碩士學(xué)位，2004年中科院物理研究所獲博士學(xué)位。曾先后到德國Max-Planck固體研究所做博士后和Principal researcher（2004-2007），美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校從事博士后研究（2007-2008）。現(xiàn)為中科院物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，在E01組工作。 在Science、Nature Energy、Nature Mater.、Joule、Nature Commun.、Science Adv.、ACS Energy Letters、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Materials、J. Mater. Chem. A、 Energy & Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、JACS、Nano Letters等國際重要學(xué)術(shù)期刊上共合作發(fā)表論文200余篇，引用30000余次，H-因子90，連續(xù)7年入選科睿唯安 “高被引科學(xué)家”名錄。合作申請(qǐng)60余項(xiàng)中國發(fā)明專利、5項(xiàng)國際發(fā)明專利、已授權(quán)40項(xiàng)專利（包括美國、日本、歐盟等5項(xiàng)）。目前擔(dān)任ACS Energy Letters雜志資深編輯及多個(gè)專業(yè)雜志的審稿人，例如Nature, Science, Nature Energy, Joule, Nature Commun., PNAS, Science Adv.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Materials, J. Mater. Chem. A, Energy & Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., JACS, Nano Letters, Nano Energy等。 值得注意的是，在2020年11月6日，由中科海鈉創(chuàng)始人兼董事長胡勇勝研究員主導(dǎo)撰寫的鈉離子電池論文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《Science》上發(fā)表 。該研究提出了一種簡單的預(yù)測鈉離子層狀氧化物構(gòu)型的方法，并在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了該方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設(shè)計(jì)和制備提供了理論指導(dǎo)。 據(jù)悉，這是《Science》創(chuàng)刊百余年來首次刊登鈉離子電池領(lǐng)域相關(guān)文章 陸雅翔，中國科學(xué)院物理研究所副研究員。2015年在英國伯明翰大學(xué)獲得博士學(xué)位，2015-2016年在英國薩里大學(xué)從事博士后研究，現(xiàn)為中國科學(xué)院物理研究所副研究員，在E01組工作。主要研究方向：新能源材料與器件研究，包括：①低成本、高容量、高倍率鈉離子電池負(fù)極材料研究；②電極/電解質(zhì)界面性質(zhì)及離子傳輸機(jī)制研究；③高安全、高能量密度水系電池研究。
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