一种容量为400mAh/g的钠离子电池硬碳负极材料

ScienceBulletin 2022-10-01

论文速递

开发高容量碳负极材料能够有效地提升钠离子电池的能量密度。近日，中国科学院物理研究所赵成龙、陆雅翔、胡勇胜等人报道了一种高容量的钠离子电池碳负极材料。这种碳负极材料在0~0.1 V电压区间表现出了优异的储钠性能。将此碳负极与层状氧化物正极（Na_0.9Cu_0.22Fe_0.30Mn_0.48O₂）匹配成的全电池理论能量密度达到~240 Wh kg^–1 且循环稳定。该工作已于近期在Sci. Bull.出版。

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自2010年以来，钠离子电池以其成本和资源优势，及其在大规模储能方面的应用前景而得到了广泛的研究。然而，当前钠离子电池的能量密度仍然是阻碍其大规模商业应用的一个严峻挑战。在钠离子电池早期的商业化进程中，硬碳材料由于具备良好的综合性能，如高的比容量(~330 mAh g^–1)，良好的循环性能，高的首周效率，丰富的资源等，被认为是一种极具应用前景的负极材料。

尽管目前已报道了多种多样的碳负极材料，但它们都表现出了一种相似的电化学行为，即充放电曲线通常表现为两个区域：0.1 V以上的斜坡区域和0.1 V以下的平台区域。相比于斜坡区域，平台区域通常贡献更高的储钠容量，并且一种高容量的碳负极材料也会拥有较高比例的平台容量，这在一定程度上能够增加全电池的能量密度。因此，设计和开发具有更多平台容量的碳负极材料是提高钠离子电池能量密度的一种有效途径。

最近，中国科学院物理研究所的胡勇胜研究员团队通过在1900 °C的高温石墨炉中处理木炭前驱体，得到了一种“类蜂巢”的碳材料。所得碳负极材料表现出了~400 mAh g^–1 的高容量储钠性能，高于石墨储锂的理论容量372 mAh g^–1。这种碳负极材料在0~0.1 V电压区间表现出了优异的储钠性能 (~330 mAh g^–1)，约占总容量的85%。将此碳负极与层状氧化物正极（Na_0.9Cu_0.22Fe_0.30Mn_0.48O₂）匹配成的全电池理论能量密度达到~240 Wh kg^–1，同时表现出了良好的循环稳定性和倍率性能。此种高容量碳材料的发现有望进一步促进高能量密度钠离子电池的发展。