筛分型碳——钠离子电池碳负极的理想模型 | NSR

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天津大学杨全红教授、张俊博士和厦门大学杨勇教授等合作，提出了钠离子电池碳负极的理想模型——“筛分型碳”。筛分型碳展现出可延长且高度可逆的低电位充放电平台(< 0.1 V)，是兼具低成本和优异电化学性能的实用化碳负极。

研究以“Sieving carbons promise practical anodes with extensible low-potential plateaus for sodium batteries”为题在线发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）天津大学博士生李琦、厦门大学博士生刘湘思和天津大学陶莹副教授是文章的共同第一作者。

锂电池的理想负极材料——石墨具有规则的层状结构，而非石墨化的硬碳则是钠离子电池颇具实用化潜力的负极材料。二者相同的特点是，其可逆比容量主要源自低电位充放电平台，是提高电池能量密度的先决条件。然而，硬碳负极低电位平台的产生机制仍存争议，而且硬碳复杂的微纳结构与低电位平台的关联机制尚不明确，严重制约了高能量密度钠离子电池的产业化进程。

针对上述挑战，研究者提出了一种兼具低成本和优异电化学性能的实用化碳负极——“筛分型碳”，展现出可延长且高度可逆的低电位充放电平台(< 0.1 V)。基于“筛分型碳”这一理想碳负极模型，研究者还揭示了低电位平台的储钠机制，提出了具有超长且可逆的低电位平台的碳负极材料的理性设计原则。

示意图：将多孔碳（左侧图）孔口缩窄，改造为筛分型碳（右图）

研究表明，对于碳负极材料而言，小的孔口尺寸（< 0.4 nm）有助于筛分溶剂化钠离子，使得固态电解质界面（SEI）主要形成于孔道外部，而通过系统的谱学表征与计算模拟发现，低电位平台的产生机制为钠离子在孔道内的富集并进一步得电子形成钠团簇。

(a)多孔碳和 (b) “筛分型碳”负极在5个完整循环前（虚线）、后（实线）的小角度X射线散射图（插图：固态电解质界面在孔内、外分布的示意图）

基于该机制，研究者进一步发现“筛分型碳”的比表面积（通过小角X射线测得）与低电位平台容量有近似线性的关系，因此设计并制得具有创纪录可逆比容量（482 mAh g^-1）的碳负极材料，低电位平台容量高达400 mAh g^-1。

不同“筛分型碳”在50 mA g^-1电流密度下的恒流充电曲线 

进一步通过电化学和谱学手段研究还发现，合适的孔径尺寸（< 2 nm）有助于提高钠团簇形成的可逆性，这对于延长电池的循环寿命至关重要。

此外，筛分型碳负极与磷酸钒钠正极匹配获得的全电池展现出优异的倍率特性。

“筛分型碳”负极和磷酸钒钠正极匹配的全电池在不同电流密度下的充放电曲线

简而言之，筛分型碳具有“樱桃小嘴、大腹便便”的孔结构特征。“樱桃小嘴”，即小的孔口尺寸，有助于溶剂化离子的筛分，提高首效，也是低电位平台产生的前提。“大腹便便”，即大的孔腹，但孔径不能太大，有助于增加在孔内形成的钠团簇的数量并避免钠金属的形成，从而实现低电位平台的可逆延长，显著提高能量密度。

值得强调的是，筛分型碳是一种无定形碳，无论软碳、硬碳，只要具备上述孔结构特征，就会表现出优异的储钠特性。筛分型碳制备工艺简单、易于规模化生产且原料成本低廉，有望助力并加速钠离子电池的产品化进程。

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