武汉大学化学与分子科学学院物理化学研究所曹余良

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低缺陷低孔隙度硬碳用于高库仑效率高容量钠离子电池负极

由于具有良好的成本效益和电化学稳定性，碳基材料作为钠离子电池的负极材料前景诱人。其中硬碳已作为钠离子电池的负极材料进行了深入研究。硬碳可通过各种含碳物质产生，包括生物质(如纤维素、花生壳、香蕉和柚子皮)以及有机聚合物(如酚醛树脂、聚苯胺、聚乙烯)。然而，上述硬碳材料的应用很大程度上受到了低初始库仑效率(ICE)的限制。研究人员已广泛研究了热解温度对硬碳的微观结构以及电化学性能的影响。一般来说，随着热处理温度的增加，石墨化程度随之提升，使得硬碳的表面积和孔隙度降低，同时缺陷的含量也有所降低。硬碳的表面积(孔隙度)和缺陷含量是影响其电化学性能的重要因素，这些电化学性能包括可逆容量、操作电压和初始库仑效率。

近日，美国太平洋西北国家实验室Liu Jun博士、武汉大学曹余良教授等系统地调控具有相似整体架构硬碳的缺陷含量和孔隙度，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Low-Defect and Low-Porosity Hard Carbon with High Coulombic Efficiency and High Capacity for Practical Sodium Ion Battery Anode”的研究论文。该工作提出石墨层中的缺陷与ICE直接相关，缺陷会捕获钠离子并产生排斥其他钠离子的电场，降低了低压插层容量。所得低缺陷和孔隙度的硬碳电极获得了高达86.1%的ICE(纯硬碳材料导电炭黑为94.5%)，其可逆容量为361mAh·g-1，循环稳定性良好(100次循环后容量保留93.4%)。该工作揭示了可行的高性能储钠硬碳设计原则，即合适的碳层距离以及无缺陷的石墨层。