異質原子摻雜碳材料的可控制備及儲鈉機制研究

《異質原子摻雜碳材料的可控制備及儲鈉機制研究》是依託河南師範大學，由喬芸擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：異質原子摻雜碳材料的可控制備及儲鈉機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：喬芸
• 依託單位：河南師範大學

項目摘要

鈉離子電池具有資源豐富，成本低廉和環境友好等特點，是新一代儲能器件的研究熱點。硬碳材料具有非石墨巨觀結構和石墨夾層微觀結構，是目前最接近實用化的鈉離子電池負極。針對其儲鈉容量低、首次庫倫效率低和倍率性能差等問題，本項目提出採用異質元素摻雜碳的方式對碳材料進行改性研究。採用富含異質元素的有機物為前驅體，通過簡單易行的方法構築一元、二元以及多元異質元素摻雜碳材料。利用儀器調控技術和材料表征，研究異質元素摻雜的種類、數量和比例對材料幾何和電子結構的作用機理；結合理論計算和性能分析，揭示材料物理、化學與儲鈉特性的內在聯繫和規律，構建適合可逆儲鈉的表面結構和電化學環境，闡述電化學儲鈉機制。利用不同異質元素的特性和協同效應，以提高碳材料的首次庫倫效率、儲鈉性能和安全性為目標，提出切實可行的異質元素摻雜改性策略，建立具有代表性的碳負極材料，為設計和發展性能優越的鈉離子電池提供理論依據和技術指導。

結題摘要

鈉離子電池具有資源豐富，成本低廉和環境友好等特點，是新一代儲能器件的研究熱點。硬碳材料具有非石墨巨觀結構和石墨夾層微觀結構，是目前最接近實用化的鈉離子電池負極。針對其儲鈉容量低、首次庫倫效率低和倍率性能差等問題，本項目提出採用異質元素摻雜碳的方式對碳材料進行改性研究。 在項目實施過程中，採用不同含氮和硫的前驅體，通過簡單高效的方法製備出氮硫共摻雜的3D多孔碳材料和碳納米片，第一性原理計算表明氮硫共摻雜的協同效應不僅可以提高碳材料的電負性和鈉離子的吸附能力，而且可以降低鈉離子的擴散障礙以提高其遷移性。材料均表現出較高的可逆比容量，良好的循環穩定性和優越的倍率性能；此外，通過引入聚苯乙烯球作為模板，製備出氮磷共摻雜多孔碳以及氮摻雜三維泡狀結構多孔石墨烯，多孔結構可以提供離子和電子的快速傳輸路徑、增加鈉離子的吸附並緩解充放電過程中的基體膨脹，雜原子摻雜則可以增加活性位，通過引入額外的缺陷可以提高反應活性，進而提高材料的儲鈉性能；我們進一步採用水熱法合成了NaxFeFe(CN)6，探究鹽酸對於材料結構和儲鈉性能的作用機制，成功地與前期所製備碳材料組裝成全電池。該項目的完成為鈉離子電池的實際套用提供理論依據和技術支持。 本項目研究成果發表在Advanced Functional Materials，Energy Storage Materials，Journal of Materials Chemistry A和Chemical Communications等雜誌，總計SCI論文12篇，申請國家發明專利3項，圓滿完成預期目標。