Adv. Mater. :钠离子电池私人定制的S摻杂富N碳纳米层片阳极材料

【引言】

锂离子电池在小型消费类电子产品中几乎处于垄断地位，随着新能源汽车是日渐普及，其需求依旧强劲，然而地壳中的锂矿产量难以应付如此大的需求，据Alexandra等人统计，截至2050年在电动车普及的情况下约17-74%锂元素储量将消耗殆尽，而与锂离子具有相似化学性质的钠离子储量却十分丰富，近些年有关钠离子电池的研究也逐渐热门起来。相比于Li⁺，Na⁺的离子半径要大出55%，LIBs的电极材料显然不再适用于SIBs,因为后者需要更大的空间来储存和运输Na⁺。  

【成果简介】

南开大学周震教授的课题组在Adv. Mater期刊上展示了一种高性能钠离子电池阳极材料。他们的方法是将富N的碳纳米层片在H₂S/Ar混合气体的氛围中，以S等位取代N制成S参杂的富N碳纳米层片。操作中要尽可能多的使S取代N形成-C-S-C-键，以达到扩大界面距离，为Na⁺  储存反应提供更多活性位点。实验结果显示该结构的SIB阳极材料有更高的容量和更出色的倍率性能。

【图文导读】

图1.S-N/C层的制备过程及元素检测

a.S-N/C结构的制备过程

b.S-N/C中S 2p的XPS检测

c.S-N/C和N/C的XRD检测

d.S-N/C和N/C的拉曼光谱检测

图2. S-N/C的形貌及结构检测

a、b.S-N/C的SEM和TEM照片

c.S-N/C界面晶格条纹的HRTEM线扫照片

d.S-N/C的EDS元素映射图

e.原始石墨、S-N/C和N/C的原子层间距

图3. SIB电池性能检测

a.S-N/C电极在1mV s^-1扫描速度下，0.01-3V范围内的CV曲线

b.50mAg^-1条件下的充放电曲线

c.50mAg^-1电流密度下S-N/C和N/C的循环性能测试

d.不同电流密度下S-N/C和N/C的倍率性能

e.1A g^-1电流密度下S-N/C和N/C循环性能测试

【小结】

通过S参杂富N碳纳米层片的方法获得了一种新的适用于SIB的阳极材料，它具有更大的界面距离和更宽广的材料表面适配于Na⁺的存储，在SIB电池中S-N/C电极也表现出了循环和容量性能。这种S参杂富N碳纳米层片的方法不但适用于SIBs,对于其他电极或电催化材料也具有借鉴的意义。

文献链接：S-Doped N-Rich Carbon Nanosheets with Expanded Interlayer Distance as Anode Materials for Sodium-Ion Batteries（Adv. Mater.,2016,DOI: 10.1002/adma.201604108）

【通讯作者简介】

周震，男，1971 年生于山东，教授，博士生导师，教育部“新世纪优秀人才支持计划入选者。南开大学新能源材料化学研究所所长、分子科学计算中心主任、材料化学系副系主任。主要研究兴趣是通过实验与高性能计算相结合设计纳米结构新能源材料及能源存储体系。在Prog. Mater. Sci., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.和Nano Energy等杂志上发表SCI摘录论文160多篇。全部论文被国内外同行引用4600多次，其中他人引用近4000次，h-index=40。14篇论文入选ESI近十年高被引论文。

本文由材料人编辑部 新能源小组 YueZhou 整理编译。

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