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材料新開發:一種基于石墨炔碳材料的高性能儲鈉材料

更新于:2019-10-10   來源:青島生物能源與過程研究所   點擊:534次

中國科學院青島生物能源與過程研究所碳基材料與能源應用研究組研究發現,通過對石墨炔碳材料進行分子設計控制炔鍵的數目,增加更多的儲鈉位點和傳輸通道,進而制備出具有更好電化學表現的儲鈉材料,其優異的比容量和超長的循環穩定性表明石墨炔類碳材料在儲能方面具有巨大的應用潛力。

由于鈉元素在全球含量豐富且廉價易得,鈉離子電池和電容器的成本相較于鋰離子電池顯著降低,特別是對于大型儲能裝置,鈉離子電池和電容器更兼具可持續性的優勢,因此,鈉離子電池的研究迅速引起了全世界科研工作者的關注。

然而商用石墨作為鈉離子電池和電容器的負極材料所能夠提供的比容量太低,嚴重制約了鈉離子電池和電容器的進一步發展,為此,世界范圍的研究組已經開展了對新型負極材料的探索研究工作,包括對新型碳基材料的發展和探索。

近年來研發的碳化石墨、硬碳、石墨烯等作為鈉離子電池和電容器的負極材料,具有成本低、電位低、容量大等優點,被認為是很有前途的候選材料。然而,這些碳負極普遍存在的低容量和循環穩定性是一直有待改善的問題。

碳基材料與能源應用研究組長期致力于鈉離子電池和電容器電極材料的研究,開發制備了基于石墨炔的鈉離子電池和電容器負極材料,憑借其本身富含炔鍵的特點,石墨炔負極在儲鈉方面表現出更優異的電化學表現,包括,多孔石墨炔直接應用于鈉離子電池負極(J.Mater.Chem.A 2017,5,2045-2051),摻氮石墨炔實現兼具高功率密度和能量密度的鈉離子電容器(ChemElectroChem 2018,5,1435-1443),石墨炔納米墻獲得高性能鈉離子電容器(ACS Appl.Mater.Interface,2017,9,40604-40613)。

在此基礎上,通過對石墨炔進行分子設計,引入氫元素并制備了具有均勻缺陷的氫取代石墨炔類碳材料,而這些引入氫取代石墨炔,在儲鈉方面均表現出了更高的理論比容量(>1200 mAh g-1)和實驗比容量(>600 mAh g-1),同時具有優秀倍率性能的循環穩定性能(Nat.Commun.,2017,8,1172)。

特別是近期,研究組設計制備了氫取代石墨炔(HsGY),其中大量的炔鍵大孔和中孔構造有利于電解質的快速滲透,縮短了其擴散和傳輸的路徑,提高了電極的倍率性能和循環穩定性能(如圖所示)。

在100 mAh g-1電流密度下,HsGY電極能夠得到高達680 mAh g-1的高可逆比容量。即使在高達5000 mA g-1的電流密度下,HsGY電極的比容量仍可以穩定在330 mAh g-1。

得益于HsGY電極材料兼備二維和三維層狀多孔材料的特點,鈉離子能夠大量存儲在HsGY的面內和面外,同時鈉離子能夠很容易地在HsGY層內擴散遷移或層間穿越傳輸。穩定性測試表明,在5000 mAh g-1的大電流密度下循環5900次,其可逆容量也能穩定在320 mAh g-1,得到96%的優異容量保持率。相關成果已經發表在國際期刊《材料化學學報A》(J.Mater.Chem.A(2019,7,11186-11194))上。

上述研究成果對于新型碳基材料的設計制備及其儲能、催化具有重要的指導意義,同時表明石墨炔類碳材料在能源設備的開發應用方面具有巨大潛力。研究得到國家自然科學基金項目、中科院前沿重點項目、山東省自然科學基金的支持。


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