北理工制备出钠离子电池负极材料——硫氮共掺杂的介孔中空碳球

近日，北京理工大学化学与化工学院孙克宁团队在高倍率、长循环钠离子电池负极研究方面取得新的研究进展。通过构建介孔中空结构并采用杂原子调控碳层间距，获得了具有较高倍率性能及循环稳定性的碳负极材料。该研究成果以《Heteroatom-Doped Mesoporous Hollow Carbon Spheres for Fast Sodium Storage with an Ultralong Cycle Life》为题在线发表在国际能源类顶级期刊《Advanced Energy Materials》（《先进能源材料》，影响因子21.8）。本文的通讯作者为孙克宁教授及孙旺特别副研究员，第一作者为北京理工大学化学与化工学院博士研究生倪丹。

钠离子电池与锂离子电池相比具有资源丰富，价格低廉的优势，可以作为新一代储能电池。考虑到储能电池应用环境中可再生能源的间歇性及波动性，以及储能系统的经济性，开发高倍率、长循环性能的电极材料是钠离子电池应用中亟待解决的问题。碳负极材料由于其低成本及环境友好性，有较高的商业化前景。然而，在充放电过程中，由于钠离子的离子半径较大，会造成离子扩散速率缓慢，还会产生较大的电极体积变化，导致电池的倍率性能及循环稳定性差，制约了碳材料的实际应用。为了实现钠离子电池的高倍率、长循环性能，需要碳电极材料具有快速的电子与离子传导能力，并保证充放电后电极结构的稳定性；为了半径较大的钠离子快速扩散，需要对碳层间距进行调控。

基于以上材料设计思路，孙克宁团队基于聚多巴胺表面涂覆技术及杂原子掺杂碳结构调控方法，制备了钠离子电池负极材料——硫氮共掺杂的介孔中空碳球（SN-MHCSs），并对其储钠机制及循环后碳结构变化进行了分析。该研究表明：1.薄壁中空球形结构，有利于离子和电子传导，能够缓冲充放电过程中的体积变化，碳球表面的介孔结构，能够促进电解液的扩散及碳球内表面的利用，较高的比表面积可以确保表面电容过程控制的快速钠储存。2.杂原子掺杂，能够增大碳层层间距，促进钠离子的扩散及存储，增加电子导电性，提升容量。3.循环过程中，钠离子的嵌入脱出能够扩大碳层间距，使碳层排布更加整齐，促进钠离子及电子的传输，带来循环后电极容量上升。

本研究为高倍率、长循环钠离子电池负极材料的发展提供了新思路，这种结构还可以应用于其他需要快速电子/离子传输、长期循环稳定性的能源体系中。

文章详情： Dan Ni, Wang Sun*, Zhenhua Wang, Yu Bai, Hongshuai Lei, Xinhua Lai, Kening Sun*. Heteroatom‐Doped Mesoporous Hollow Carbon Spheres for Fast Sodium Storage with an Ultralong Cycle Life. Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201900036）.