祝贺课题组赖海宏博士在《Nano Energy》上发表文章

2025.07.12

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285525006573


源自可再生生物质的硬碳因其类石墨微晶结构和多孔结构,被视为钠离子电池(SIBs)有前景的阳极材料。然而,设计多孔结构以平衡Na+传输和电解质稳定性仍是一项重大挑战。本文开发了一种协同催化脱水与活化策略,以精确设计硬碳的微孔结构,从而增强Na+存储能力。通过酯化和化学活化改变纤维素脱水途径,显著提高了硬碳的产率,同时生成了大量所需的微孔(<1.36 nm)。这些定制的微孔通过表面吸附、插层和孔隙填充机制促进Na+存储。此外,优化后的结构促进了溶剂化Na+的预脱溶剂化,同时抑制了大型溶剂化Na+团簇的分解,从而抑制了不稳定固体-电解质界面(SEI)层的形成。工程化硬碳表现出卓越的性能,包括在0.02 A g−1下高达368 mAh g−1的可逆容量、90 %的初始库仑效率以及出色的循环稳定性。这种可扩展的策略适用于各种生物质前驱体,为推进下一代SIB阳极材料提供了实用途径。

总之,我们开发了一种有效的协同催化脱水和活化策略,用于工程化纤维素衍生硬碳的微孔结构,显著提高了其钠离子存储性能。该策略在热解过程中通过双重机制发挥作用:(1)NH4H2PO4 与纤维素相互作用,改变其脱水途径,从而实现高产率碳的生成;(2)同时作为化学活化剂,生成大量理想尺寸的微孔(<1.36 nm)。这种精确定制的微孔结构具有双重功能:不仅为高效 Na+存储提供了大量活性位点,还促进了溶剂化 Na+的预脱溶,从而防止大溶剂化物种的分解和不稳定 SEI 的形成。优化后的硬碳电极表现出卓越的电化学性能,在 0.02 A g−1 时具有 368 mAh g−1 的高可逆容量,并且在 1 A g−1 下经过 2000 次循环后仍能保持 84.6% 的初始容量。重要的是,该策略表现出显著的通用性,这一点从其成功应用于其他富含纤维素的生物质前体中得到了证明,凸显了其在制造用于钠离子电池的高性能硬碳阳极方面的广泛应用潜力。