​赵玉峰教授AM：锌原子掺杂硬碳实现高倍率和低温钠离子电池

硬碳（HC）作为钠离子电池（SIBs）最商业化的负极材料之一，必须解决倍率性能与比容量或初始库伦效率（ICE）之间的平衡，而对低温下的快充性能下降（LT）的了解仍知之甚少。

在此，上海大学赵玉峰教授团队报道了一种具有掺入锌单原子（Zn-HC）的硬碳，以调节本体和表面结构。优化的Zn-HC具有扩展的石墨区域（d002 = 0.408nm）和高度发达的纳米孔（直径约0.8 nm），并减少了缺陷含量，这有利于快速的Na+存储。

结果证实，Zn-N₄-C结构可以催化NaPF₆的快速分解，使其形成薄而无机物丰富的SEI和快速的界面Na⁺储存动力学，同时在石墨区中引发局部电场（LEF），提供一个临时的库仑力来加速Na⁺储存动力学，降低扩散能垒（0.60eV vs 1.10eV）。

获得的HC材料展示了创纪录的高可逆容量（546 mAh g^-1 @ 0.05 A g^-1），速率能力（140 mAh g^-1 @ 50 A g^-1），ICE（84%），低温容量（443 mAh g^-1 @ -40 °C），超过了最新的文献。所构建的全电池提供了323 Wh kg^-1的高能量密度和7.02 kW kg^-1的高功率密度（基于两个电极的总活性质量）。

图1. Zn-HC的形态结构表征和原子结构分析

总之，该工作通过一个典型的两步法精心构建了DAFR衍生的硬碳微球与ZnN4配置的结合。合成的样品表现出卓越的速率性能、可逆容量（546 mAh g^-1 @ 0.05 A g^-1, 140 mAh g^-1 @ 50 A g^-1）、低温（LT）容量（443 mAh g^-1 @ 0.05 A g^-1）和ICE（84%），同时实现了SIBs中能量密度（323 Wh kg^-1）和功率密度（7.02 kW kg^-1）之间的卓越平衡。

更重要的是，对HC电极在不同温度下的电荷存储机制有了基本的了解。作者发现HC上的局部结构或SEI调节可以显著抑制RSEI和RS，并有助于提高RT性能，而电解质固有的Na⁺迁移或去溶剂化能力代表了LT电荷转移动力学的决定性步骤。这项研究提供了一种新的策略来调节复杂的界面电化学和基于HC材料的电极化学，以实现从RT到LT的高性能Na存储。

图2. 全电池的电化学性能

Zinc Single-Atom Regulated Hard Carbons for High Rate and Low Temperature Sodium Ion Batteries，Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202211461