北化徐斌Adv. Sci.: 微晶杂化强化煤基碳负极用于高性能钠离子电池

钠离子电池（SIBs）被认为是一种很有前途的大规模储能技术候选者，从低成本、资源丰富的前驱体中开发具有高储钠容量和初始库仑效率（ICE）的先进碳负极对于SIB至关重要。

在此，北京化工大学徐斌教授等人提出了一种碳微晶杂化路线，在蔗糖的帮助下从褐煤中合成具有广泛类石墨区域的硬碳。由于前驱体分子组成不同，褐煤热解碳（LC）呈现出类石墨相为主的碳微晶结构，层间空间较小；而蔗糖热解碳（SC）主要由高度无序的碳相组成，单独LC和SC都对钠离子储存没有吸引力。因此，作者将褐煤粉末与蔗糖按一定比例混合，然后将混合物压缩以促进两种组分的紧密接触，最后在400°C下进行热处理制备了具有大量类石墨相的微晶杂化褐煤基硬碳（LCS）。褐煤和蔗糖两种前体经交联相互作用形成碳基杂化微晶态，其中交错的蔗糖分子有助于碳化过程。这种微晶杂化方法使碳能够随着层间距离的增加而显示出显著增强的类石墨相，从而实现有效的钠离子插层和提取。此外，交联分子的高结构稳定性有助于减少碳表面缺陷，从而获得高ICE值。

图1. 制备微晶杂化煤基碳的示意图及表征

作者研究了基于不同的褐煤/蔗糖质量比制备的硬碳的电化学特性，其中LCS-73（褐煤/蔗糖质量比为7:3）基于由合适层间距组成的相对较大的类石墨相和高电导率表现出最高的钠存储容量（356 mAh g^-1）和ICE值（82.9%）。此外，LCS-73在0.05 A g^-1下100 次循环后仍保持307 mAh g^-1的高容量，容量保持率为91.3%。甚至，基于LCS-73负极、O3-NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂正极组装的全电池也具有240 Wh kg^-1的高能量密度（基于负极和正极材料总质量）和10 C时106 mAh g^-1的出色倍率性能，在2 C下循环超过500次仍具有80%容量的出色循环性能。总之，这项研究提出的策略为开发高性能、低成本的碳基SIB负极材料提供了有效途径，也可推广到其他二次离子电池中碳质材料的微晶结构调控。

图2. 不同碳样品的电化学储钠性能

Microcrystalline Hybridization Enhanced Coal-Based Carbon Anode for Advanced Sodium-Ion Batteries, Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202200023