1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 能源学人

理性设计与通用方法制备高性能掺杂位点可调的硫掺杂硬碳钠离子电池负极材料

异质原子掺杂是调控碳材料微结构,从而改善其电化学存储性能的一种有效的策略。同时,异质原子掺杂也是调节碳材料层间距的常用方法,而层间距是影响碳负极储钠活性的关键因素。近年来,研究人员采用各种异原子(N, PS等)掺杂有效扩大了硬碳负极的层间距,从而显著改进其储钠性能。然而,目前的研究没有阐明怎样的掺杂才能有效扩大硬碳材料的层间距,关于其掺杂机制的解析和掺杂位置的调控是本领域的一大挑战。最近,福建师范大学洪振生副教授所带领的课题组在这个方面取得重要进展。他们开发了一种通用合成方法(一步熔盐法),制备出层间距与掺杂位点可调的硫掺杂硬碳材料。在相近掺杂浓度下,硫掺杂在孔隙较少的硬碳中比掺杂在多孔缺陷的硬碳中产生更大的层间距,且其层间距值与理论预测值一致。深入分析表明在不同的硬碳结构中,硫会掺杂在不同的位置,从而造成不同的层间距。钠离子电池测试结果表面,层间距大缺陷少的硫掺杂硬碳明显具有更高的储钠容量、优异的速率性能和循环稳定性。这项研究成果发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》发表(影响因子19.791)上。论文理论计算的合作作者是张健敏副教授。

 利用第一性原理计算预测硫原子在不同硬碳结构中掺杂所引起的层间距变化情况,如图1所示。相同掺杂浓度(6.25%)下,无缺陷硬碳的层间距可到3.997 Å而缺陷结构中硬碳的层间距只有3.695 Å另外,理论计算还表明缺陷结构中硫倾向于掺杂在缺陷位,而无缺陷结构中硫易于掺杂在层间位置。

本研究采用一步熔盐法,通过不同的硫源控制合成不同结构的硫掺杂硬碳材料,如图2所示。实验结果表明,少孔结构和低比表面积的硫掺杂硬碳(S-HC-p)的层间距约为3.9 Å,而多孔结构和较低比表面积的硫掺杂硬碳(S-HC-p)的层间距约为3.6 Å这与理论计算相一致。XPSEDX分析证实均匀的C-S键掺杂的形成。采用不同的碳源均可以得到相似的结果,证明了合成方法的通用性,也进一步证实了理论预测的结果。

钠离子半电池测试发现,S-HC-p明显比S-HC-p具有更好的可逆储钠性能、倍率性能和循环稳定性。随后,作者通过不同扫速下的CVEISHRTEM测试来进一步研究其储能机理,并给出其表现出优异电化学性能的可能原因:1)较大的层间距的硫掺杂硬碳明显具有更大的钠离子扩散系数;(2)较大的层间距有利于Na+嵌入到硬碳层间,从而比普通的物理吸附具有更好的可逆性,这说明对硬碳材料储钠性能来说,层间距比表面积更重要;(3)层间距的扩大显著降低了钠离子的扩散能磊,同时硫掺杂也有助于改进硬碳材料的电子结构,从而表现出更加优异的电极的动力学。

理性设计与通用方法制备高性能掺杂位点可调的硫掺杂硬碳钠离子电池负极材料

1. 硬碳结构示意图:(a)纯硬碳,(b-d)硫在硬碳不同掺杂位置的构型图,(e-h)上述四种结构对应的侧视图。

理性设计与通用方法制备高性能掺杂位点可调的硫掺杂硬碳钠离子电池负极材料

2. 两种不同硫掺杂硬碳的(a)合成示意图,(bXRD分析,(cN2等温吸脱附和孔径分布图,(d-e)少孔结构硫掺杂硬碳(S-HC-p)的扫描电镜和高分辨透射电镜图,(f-g)多孔结构硫掺杂硬碳(S-PHC-p)的扫描电镜和高分辨透射电镜图。

理性设计与通用方法制备高性能掺杂位点可调的硫掺杂硬碳钠离子电池负极材料

3. S-HC-pa)和S-PHC-pb)的充放电曲线,(c)不同材料的倍率性能,(dS-HC-p0.1A/g电流密度下的循环性能,(e)在1A/g电流密度下进行4000次循环的循环性能图。

理性设计与通用方法制备高性能掺杂位点可调的硫掺杂硬碳钠离子电池负极材料

4. S-HC-p的(aCV曲线和(bCV峰电流与扫速的关系,(c)第二次储钠过程的GITT曲线,(d)钠离子扩散系数,S-HC-pe)和S-PHC-p首次放电后的高分辨透射电镜图。

Zhensheng Hong,* Yichao Zhen, Yurong Ruan, Meiling Kang, Kaiqiang Zhou, Jian-Min Zhang, * Zhigao Huang, and Mingdeng Wei. Rational Design and General Synthesis of S-Doped Hard Carbon with Tunable Doping Sites toward Excellent Na-Ion Storage Performance, Adv. Mater. 2018,1802035, DOI: 10.1002/adma.201802035.

本文来自能源学人,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号能源学人

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code