源自可再生棉的高能储钠硬碳微米管

近几年，在国家政策的有力支持下和市场的驱动下，锂离子电池迅猛发展，原材料的价格也水涨船高。此外，锂在地壳中的分布不均且开采难度较大。而与之不同的是，钠资源储量丰富且分布广泛，钠离子电池（SIBs）因成本低而备受关注。作为钠电负极最重要的材料类型之一——高能碳材料的研究也迅速兴起。

近日中科院物理所李云明博士和胡勇胜研究员以天然棉花为碳源，经过简单碳化合成了一种尺寸均一的硬碳微米管（HCTs），并将其应用到钠离子电池的负极。作者探究了碳化温度对HCTs电化学性能的影响。结果表明，在1300℃下碳化得到的HCTs管状结构均一，首次容量和库伦效率分别高达315mAh/g和83%。0.1C倍率(电流30mA/g or 0.07mA/cm²；电压范围0-2V)循环100圈后，容量仍可维持在305mAh/g左右(容量保持率97%)。此外，材料倍率性能良好，主要是因为HCTs的管状结构能够缩短钠离子的迁移路径，使得钠离子在较短的时间内找到属于自己的窝(活性位点)后被还原。当该材料作为负极组装成全电池(对电极：Na_0.9[Cu_0.22Fe_0.30Mn_0.48]O₂)时，电化学性能同样优异。

为了更好地了解不同碳化温度下样品之间的性能差异，尤其倍率性能的不同，作者采用恒电流间歇滴定技术(galvanostaticintermittent titration technique; GITT)测量了HCT电极中Na⁺的表观扩散系数。结果表明，HCT1300和HCT1600的最低表观扩散系数区域主要集中在充/放电曲线平台部分(也就是CV曲线的出峰位置)。与HCT1300相比，HCT1600表现出更低的Na⁺表观扩散系数，这解释了在大电流的速率下其电化学平台快速下降的原因。对于HCT1000来讲，其没有非常低的扩散系数区域，这也解释了HCT1000倍率性能相对较好的原因。此外，作者还发现HCT1300和HCT1600平台部分的储钠机理不同，因为二者的充放电曲线中斜线部分和平台部分钠–碳相互作用的结合能不同。另外，很明显地，二者平台区域的钠离子迁移速率都较低。这也就是说，如果想要得到高功率钠离子电池，就只能利用斜线部分对应的容量，此时平台区域对应地容量起不到多大作用；如果不单单关注高功率，从高能的角度来说，这时整个曲线所对应的容量都可以对高能钠离子电池作出贡献(理解此处时应明白高功率和高能的实际意义)。

最后，作者通过使用非原位TEM和X射线光电子能谱（XPS）探究了HCT材料的充放电前后结构变化和钠储存机制。对比嵌钠前后的TEM图像发现：嵌钠后，HCT具有与原始样品相似的、d值为0.404nm的无序碳结构，这表明在石墨层间没有明显的钠嵌入。然而，碳层的边缘和HCT1300的孔隙变的模糊，说明有钠的嵌入。另外，100次循环之后，HCT1300电极形成了一个厚度约为30nm的光滑均匀的SEI膜。采用非原位XPS图谱分析发现：1.电位大于0.12V时，Na吸附在无序石墨烯片上，对应于电压超过0.12V的斜线区域；2.电位接近于0V时，Na填充在纳米孔隙中，对应于平台区域。

高电化学性能、高堆积密度和低成本一直是电池材料发展的终极目标。本文给我们提供了一种新的思路：以可再生资源纤维素为碳源，设计合成二维管状碳化物作为负极材料，从而提供更高效和低成本的储能材料。此外，从离子迁移速率的角度分析，可以更好的解释材料电化学性能好坏，从而为高能电池的研发提供可行有效的途径。

材料制备：

将棉卷放在管式炉中，氩气保护煅烧2h。通过设置煅烧温度为1000℃，1300℃和1600℃，分别得到HCT1000，HCT1300和HCT1600三个样品。

Li, Y., Hu, Y. S.,Titirici, M. M., Chen, L., Huang, X. Hard Carbon Microtubes Made fromRenewable Cotton as High-Performance Anode Material for Sodium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials, 2016, 6(18). DOI: 10.1002/aenm.201600659

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