东北师大吴兴隆教授 Small : N/O共掺杂碳材料共用的碱金属离子电池和锂金属电池

点击蓝字关注我们

文章信息

N/O共掺杂碳材料共用的碱金属离子电池和锂金属电池

共同第一作者：张孝华，蒋茹，范朝英

通讯作者：吴兴隆*

单位：东北师范大学 等

研究背景

随着储能领域的快速发展，二次电池已经由最初的锂离子电池拓展到了钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、锂金属电池、锂硫电池等体系。由于不同电池体系在离子半径、反应机理等方面的不同，对电极材料的要求也各有差异。这不仅大大增加了研究内容和成本，而且限制了储能体系的普遍应用。因此，探索能够适用于多种不同电池体系的通用型电极材料，具有重要的意义。

碳材料具有可循环再生、密度小、导电性好、化学性质易于调控等优点，在各类电化学储能体系（如各种碱金属离子电池、锂金属电池等）中都具有非常重要的地位和研究价值。最近的研究表明，具有丰富表面活性位点和官能团/缺陷的无定形纳米碳材料，在锂离子电池和钠离子电池中均能表现出优异的电化学性能。而且，通过杂原子（如N，O，B，S，P等）掺杂，能够很好地调控其电子分布状态、表面吸附能力、层间距等，从而在控制锂成核与均匀沉积等方面也具有优异的表现。

文章简介

基于此，来自东北师范大学的吴兴隆教授课题组在国际知名期刊Small上发表题为“Engineering All-Purpose Amorphous Carbon Nanotubes with High N/O-Co-Doping Content to Bridge the Alkali-Ion Batteries and Li Metal Batteries”的文章。

该文章合成了N/O共掺杂含量为20.6%的分级多孔碳纳米管（NOPCT），在锂/钠离子电池、锂硫电池与锂金属电池中均表现出高的比容量和稳定的循环性能，并通过形貌、结构表征与第一性原理计算研究了其内在机理。

图1. NOPCT用作锂/钠离子电池、硫正极与锂金属负极的示意图。

本文要点

要点一：交织的分级多孔碳纳米管

采用模板法合成了交织的分级多孔碳纳米管。碳纳米管的交织排列，能促进多维度电子/离子传输，加速电化学反应动力学；中孔碳管和超薄碳壁有助于缩短电子转移路径，并提供充足的空间以容纳体积应变；膨胀的层间距有助于Li/Na离子嵌入与脱出；分级多孔性有助于电解液的充分浸润。

要点二：高含量N/O共掺杂提供丰富的官能团

通过mapping和XPS证明了NOPCT中高的N/O共掺杂含量，并产生了丰富的官能团。丰富的官能团分布，能够增加活性位点，创造无序和缺陷；调控电子分布和Li/Na亲和性；有助于改善电子导电性和Li/Na储存容量；通过化学锚固有助于抑制多硫化锂的穿梭效应；有助于实现锂金属的均匀成核与沉积。

要点三：优异的锂/钠离子电池性能

NOPCT用作锂/钠离子电池负极时，表现出优异的循环稳定性和倍率性能。在锂离子电池中，在500 mA/g电流密度下，循环450圈后，容量保留仍高达99.1%，几乎没有明显的容量衰减；在10 A/g电流密度下可逆容量仍达404.4 mAh/g。在钠离子电池中，于500 mA/g电流密度下循环2000圈以后，容量仍达194.9 mAh/g，平均每圈容量衰减率仅为0.0084%；在5 A/g的电流密度下可逆容量仍达116.6 mAh/g。优异的锂/钠电性能可与许多先进的碳负极材料媲美。

要点四：优异的锂金属负极/硫正极性能

NOPCT用作锂金属负极与硫正极基底材料时，也表现出优异的循环稳定性。作为锂金属负极，NOPCT在对称电池中于不同电流密度下均表现出超长的循环稳定性；与Li(Ni0.33Co0.33Mn0.33)O2匹配的全电池中，也表现出稳定的循环与优异的倍率性能。在锂硫电池中表现出来的循环性能也明显优于传统的乙炔黑/硫电极，表现出更高的比容量和更长的循环寿命。

原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202006566

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。