北化工宋怀河Small: 通用的致密碳材料多界面策略增强锂/钠离子电池性能

快速充电倍率和大容量储能是电动汽车对锂离子电池（LIB）的关键要求，开发具有高体积和重量容量且可以高速运行的电极材料是最具挑战性的问题。

鉴于此，北京化工大学宋怀河教授等人提出了一种新的通用多相界面策略，用于制备具有增强锂/钠离子电池综合电化学性能的致密碳材料。

首先，将蔗糖、树脂或沥青等前驱体体溶解到氧化石墨烯（GO）溶液中形成分子级分散体。根据前驱体的不同特性，采用一定的策略快速蒸发溶剂并稳定这种分散结构，溶剂快速蒸发引起的毛细作用力会导致石墨烯的层状结构皱缩折叠。在惰性气体气氛中碳化后，生成了含有丰富多界面结构的碳/石墨烯复合材料。

作者选择蔗糖基硬碳球（HCS）作为碳基体，并将弯曲和褶皱的石墨烯纳米片嵌入到HCS中以在结晶石墨烯和无序硬碳基体之间构建丰富的界面。在HCS形成过程中，所构建的界面可以作为有效的通道来释放蔗糖的热解轻馏分，从而产生致密材料。

图1. GH5-1000的储锂性能

研究表明，离子和电子可以快速平行地扩散到整个碳基体的界面，从而有效地提高整体电导率。由于特殊的结构，产物（GH5-1000）具有低表面积（13.3 m² g^-1）、增加的堆积密度（0.910 g cm^-3）。当用作LIBs和钠离子电池（SIBs）的负极材料时，GH5-1000同时显示出高重量/体积可逆容量、高倍率性能和低温特性，这意味着在实际LIBs和SIBs中具有巨大的应用潜力。

此外，基于GH5-1000为负极、市售活性炭（AC）组装的钠离子电容器（SIC）在2 A g^-1下3000次循环后具有87.1% 的高电容保持率。基于GH5-1000组装的钠离子全电池重量能量密度约为452.5 Wh kg^-1，体积能量密度约为421.8 Wh L^-1。因此，这种界面工程策略将为高性能电极材料的制备提供新思路。

图2. GH5//AC SIC的电化学性能

A General Multi-Interface Strategy toward Densified Carbon Materials with Enhanced Comprehensive Electrochemical Performance for Li/Na-Ion Batteries, Small 2022. DOI: 10.1002/smll.202105738

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