Trans Tianjin Univ |氟掺杂硬碳作为钠离子电池的高性能负极材料

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文章信息

Lingchen Kong, Yu Li, Wei Feng. Fluorine-Doped Hard Carbon as the Advanced Performance Anode Material of Sodium Ion Batteries. Trans Tianjin Univ, 2022: https://doi.org/10.1007/s12209-021-00311-w.

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https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-021-00311-w

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本文亮点

1. 本文在较低的温度下，通过温和气相氟化合成了F掺杂硬碳(F-HC)作为钠离子电池(SIBs)的潜在阳极。

2. 对硬碳的F掺杂处理扩大了碳材料之间的层间距离，在石墨骨架中产生了一些缺陷，同时通过插层和填孔过程提高了Na⁺的存储能力。

3. 研究发现，与原始HC相比，F-HC具有更高的比性能和更好的循环稳定性。100 ˚C氟化的F-HC (F-HC100)在50 mAh/g时的可逆性能为343 mAh/g，库仑效率为78.13%，循环100次后容量保持率为95.81%。

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背景及意义

锂离子电池具有可逆容量高、速率稳定性好等优点，已成为一种广泛应用的电化学储能系统。然而，随着便携式电子设备和电动汽车等大规模应用需求的增加，锂资源的高成本和有限的锂储量已成为公众关注的问题。因此，先进的电化学储能装置被探索作为LIBs的替代品。

在众多的替代品中，钠离子电池(SIBs)被认为是理想的候选材料，因为其储量丰富、分布均匀、分布广泛，以及与LIBs类似的工作机制。虽然LIBs已被广泛应用，但由于石墨和Na之间的正结合能揭示了一种热力学不利的Na -石墨化合物，阻碍了石墨作为SIB阳极的应用。因此，各种SIB负极材料的研究包括合金、金属氧化物和有机化合物。然而，由于放电/充电过程中体积膨胀/收缩过大，导致循环稳定性差，限制了实际应用;此外，它们具有较高的成本和复杂的合成过程。因此，应该开发高稳定、低成本的SIB负极材料。在众多的碳基负极材料中，硬碳(HC)因其启动源广泛、制备简单、循环稳定性好等优点，被认为是最有前途的SIB负极材料。HC通常来自超高温下的聚合物热解。由于其层间空间大、结构无序等特点，得到了广泛的研究。

图文导读

图1 （a）HC，（b）F-HC50，（c）F-HC100，（d）F-HC150的TEM图像；（e）HC，（f）F-HC50，（g）F-HC100，（h）F-HC150的HRTEM图像。插图为HC和F-HC对应的SAED模式

图2 （a）HC和F-HC的XRD谱图，（b）拉曼光谱，（c）N₂等温线，（d）孔径分布

图3 （a）F–HC50, （b）F–HC100, （c）F–HC150的C1s图，（d） F–HC50, （e）F–HC100, （f）F–HC150的F1s图

图4 在0.1 mV/s的扫描速率下，（a）HC，（b）F-HC50，（c）F-HC100和（d）F-HC150的CV曲线；（e）HC，（f）F-HC50，（g）F-HC100和（h）F-HC150在电流密度为50 mA/g、电位范围为0.01 V - 2.50 V (vs. Na/Na⁺)时的恒流放电/充电分布

图5 （a）在0.01 V-2.50V (vs. Na/Na⁺)的电位范围内，50 mA/g的循环性能，（b） 50 mA/g、100 mA/g、200 mA/g和500 mA/g的HC和F-HC的速率性能

图6 在50 mA/g下循环100次后，（a）HC，（b）F-HC50，（c）F-HC100，（d）F-HC150和（e）HC，（f）F-HC50，（g）F-HC100，（h）F-HC150的透射电镜图像。插图为循环试验后HC和F-HC的相应SAED图

通讯作者简介

 封 伟
天津大学材料科学与工程学院教授。2000年毕业于西安交通大学，获博士学位。之后分别在日本大阪大学和中国清华大学担任JSPS研究员和博士后。2004年成为天津大学教授，获国家杰出青年科学基金资助。他的研究领域包括光响应有机分子及其衍生物，导热和高强度碳基复合材料，二维氟化碳材料和聚合物等。

Transactions of Tianjin University

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