湖南大学Adv. Energy Mater.：软碳首次用作钠基双离子全电池负极材料，比容量可达103 mAh•g-1

深海万里 8年前 (2017-03-24) 14836浏览

【引言】

当今可充电电池体系中，双离子电池 (DIBs) 以其高容量、低成本等优点，在电池领域备受关注。目前，对于DIBs正极材料，如石墨、MOF、碳黑等已有了不少报道。同时，寻求一种离子尺寸适宜、低成本的阳离子来代替传统的锂离子，对于DIBs而言也非常重要。在自然界中，钠离子含量丰富，但离子半径比锂离子稍大，在石墨中的嵌入、脱嵌性能较差，因而目前关于钠基双离子电池 (NDIBs) 的研究依然局限于半电池层面。此外， NDIBs负极材料的报道也是较为罕见，因此其负极材料的设计原理依然有待探索。

【成果简介】

最近，湖南大学鲁兵安教授和许志教授（共同通讯作者）在Adv. Energy Mater.上联合发表了一篇名为“Soft Carbon as Anode for High-Performance Sodium-Based Dual Ion Full Battery”的文章。本文中，研究人员首次采用软碳(soft carbon, SC)作为NDIBs的负极材料进行电池组装—— SC (负极)| 1 M NaPF6 EC:DMC (6:4, v/v) (电解质)| 石墨 (正极)。经充发电测试，首次放电容量可达103 mAh·g-1,在200 mA·g-1的电流密度下，放电电压平台大约为3.58 V; 在1000 mA·g-1的电流密度下，800个充放电循环后，比容量依然可达54 mAh·g-1。为第二次放电容量(66.0 mAh·g-1)的81.8%，此外，该电池还具备优越的充放电倍率(200-2000 mA·g-1)。

【图文导读】

图1  软碳(SC)材料的形貌及结构表征

a-b)  TEM和HRTEM表征图像；

c-d)  XRD、拉曼图谱；

e) 高分辨 C 1s XPS 谱线；

f) N2的等温吸附曲线，插图为孔径分布图；

g-i)  DES元素分布谱图：(h) C，(i) O；

图2  NDIBs电化学性能测试

a) 5 mV·s-1扫描速率下的CV曲线；

b) 充放电曲线，插图为对应的dQ/dV 曲线；

c) 各个充电截断电压(4.3-4.75 V)下的循环曲线；

d) 各个放电截断电压(3.0-1.0 V)下的循环曲线；

e-f)  2.0-4.7 V截断电压下的倍率曲线和容量循环曲线；

图3  不同充放电状态下的电极材料表征

a) NDIBs的初始充放电曲线；

b) 初始充放电循环的非原位XRD图谱——石墨电极；

c-f)  不同状态下的SC 电极HRTEM图像：(c) 充电至4.7 V(1st cycle)，(d) 放电至2.0 V(1st cycle)，(e) 充电至4.7 V(100th cycle) ，(f) 放电至2.0 V(100th cycle)；

g-j)  充电至4.7 V 时，SC电极材料的元素(C、O、Na)分布谱图；

图4  各个状态下NDIBs示意图

 

五个状态下的NDIBs示意图：初始、充电、充电完成、放电、放电结束;

【总结与展望】

软碳首次被用作钠基双离子全电池负极材料，不仅表现出了优良的电化学性能，而且降低了NDIBs成本。在200 mA·g-1的电流密度下，首次放电容量可达103 mAh·g-1, 而且具备较高的放电平台（3.58 V）、优良的充发电倍率，循环稳定性优异，1000 mA·g-1下，800个循环后的比容量依然可达81.8%，仅仅只有0.023 % cycle-1的容量衰减。

以上数据表明，在能源存储领域内，NDIBs颇具发展潜力。本文中，软碳的应用可以为NDIBs负极材料的进一步研发提供一定的理论指导。

原文链接：Soft Carbon as Anode for High-Performance Sodium-BasedDual Ion Full Battery (Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/ aenm.201602778)

本文由材料人新能源组 深海万里 供稿，材料牛编辑整理。

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