杂原子掺杂已被证明能有效地提高钠离子电池
中国科学院物理研究所胡勇胜、陆雅翔 等人提出了一种杂原子构型筛选策略，以在低成本碳(石油残留物)和杂原子前驱体(NaH2 PO4 )的基础上，在普通的酯基电解质中同时实现高斜坡区容量和高ICE。通过二次碳化工艺去除初始退火后的含钠化合物，虽然杂原子的总百分比降低，但C=O和PO2 3- /PO4 3- 以及自由基的某些特定杂原子构型仍可保持或改善，使得斜坡区容量达到了~250 mAh g-1 。另一方面，二次碳化降低了C-O和PO3 – 等不可逆构型的百分比，使ICE恢复到80%。此外，作者还系统地研究了这种“斜坡区主导”碳的Na存储机制，发现：低电位区为扩散控制过程，但过小的纳米孔尺寸会导致Na的容纳不理想，从而缺乏电压平台。由此产生的“斜坡区主导”碳负极还与不同的正极配对，以优化全电池的性能。其中，将PO-SC-S负极与P2/O3型正极匹配时，该全电池表现出优异的倍率性能，在20 C下容量达到了124 mAh g-1 ，在3 C下循环1000圈后容量保持率达到了86%、2000圈后容量保持率达到了72%。结果表明，通过区分和过滤不可逆的杂原子构型，可以使碳负极表现出高斜坡区容量和高ICE，从而实现高功率NIBs。 相关工作以《Screening Heteroatom Configurations for Reversible Sloping Capacity Promises High-Power Na-Ion Batteries 》为题在《Angewandte Chemie International Edition 》上发表论文。
图1. 杂原子构型筛选策略示意图以及PO-SC-S负极的电化学性能
图2. SC、PO-SC、PO-SC-S的结构表征
总之，本文通过P/O掺杂、以及随后的二次碳化工艺，成功研制出了具有高斜坡区容量和高ICE的“斜坡区占主导”碳负极材料。作者发现，杂原子的构型比掺杂数量更为重要，二次碳化过程可以筛选、出去产生不可逆容量的C-O与PO3 – 构型，改善可逆的C=O、PO2 3- /PO4 3- 以及自由基的某些特定杂原子构型。此外，作者还系统研究了“斜坡区主导”碳的Na存储机制，发现在低电位区也存在扩散控制的过程，而纳米孔过小不利于放电平台形成。通过与不同的正极进行配对，全电池可以得到优化、以提供更优越的倍率和循环性能。 Screening Heteroatom Configurations for Reversible Sloping Capacity Promises High-Power Na-Ion Batteries，Angewandte Chemie International Edition，2022，10.1002/anie.202116394
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202116394
胡勇胜，中科院物理研究所研究员。2001年在武汉理工大学材料学院获硕士学位，2004年中科院物理研究所获博士学位。曾先后到德国Max-Planck固体研究所做博士后和Principal researcher（2004-2007），美国加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究（2007-2008）。现为中科院物理研究所研究员，博士生导师，在E01组工作。 在Science、Nature Energy、Nature Mater.、Joule、Nature Commun.、Science Adv.、ACS Energy Letters、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Materials、J. Mater. Chem. A、 Energy & Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、JACS、Nano Letters等国际重要学术期刊上共合作发表论文200余篇，引用30000余次，H-因子90，连续7年入选科睿唯安 “高被引科学家”名录。合作申请60余项中国发明专利、5项国际发明专利、已授权40项专利（包括美国、日本、欧盟等5项）。目前担任ACS Energy Letters杂志资深编辑及多个专业杂志的审稿人，例如Nature, Science, Nature Energy, Joule, Nature Commun., PNAS, Science Adv.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Materials, J. Mater. Chem. A, Energy & Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., JACS, Nano Letters, Nano Energy等。 值得注意的是，在2020年11月6日，由中科海钠创始人兼董事长胡勇胜研究员主导撰写的钠离子电池论文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界顶级学术刊物《Science》上发表 。该研究提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法，并在实验上证实了该方法的有效性，为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计和制备提供了理论指导。 据悉，这是《Science》创刊百余年来首次刊登钠离子电池领域相关文章 陆雅翔，中国科学院物理研究所副研究员。2015年在英国伯明翰大学获得博士学位，2015-2016年在英国萨里大学从事博士后研究，现为中国科学院物理研究所副研究员，在E01组工作。主要研究方向：新能源材料与器件研究，包括：①低成本、高容量、高倍率钠离子电池负极材料研究；②电极/电解质界面性质及离子传输机制研究；③高安全、高能量密度水系电池研究。
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