异质元素掺杂生物质衍生硬碳材料的制备及用于钠离子电池负极材料储能研究

Sodium-ion batteries (SIBs) are expected to be a promising commercial alternative to lithium-ion batteries for large-scale and low-cost electrical energy storage applications in the near future. The key problem of further development for SIBs is to find suitable anode materials. Hard carbon materials have been regarded as promising anode candidates for practical SIBs. Based on the technical improvement requirements of controlling the morphology and improving the electrical conductivity of hard carbon materials, N and B co-doping hard carbon materials are prepared according to the biomass derived technology combined with heterogeneous atom, namely N and B doped during the prepared process. The biomass used in this project are sunflower seed shells and disposable bamboo chopsticks, which have a particular structure with natural fibers directional alignment. The structure and morphology of the materials are characterized by microscopy and spectroscopy methods. Then, N, B co-doping hard carbon materials are used as anodes for SIBs, and the sodium storage properties with different electrolyte are systematically investigated at different temperature. Meanwhile, the electrode/electrolyte interface characteristics including the formation mechanism of the solid electrolyte interface (SEI) film and the transport mechanism of electrons of N, B co-doping hard carbon materials are systematically investigated. This project is aimed at revealing the essential relationship of the doping content of heterogeneous atoms, conductivity and the electrochemical performances of the hard carbon materials, thus, it can provide a scientific evidence and a reasonable technical support for the structure design in sodium-ion battery electrode materials.

钠离子电池被认为是最有希望替代锂离子电池在大规模储能中应用的电池新体系。寻找合适的负极材料成为钠离子电池发展的关键，而硬碳材料被认为是最接近实用化的负极材料。基于有效调控硬碳材料形貌且进一步提高导其电性的技术进步需求，以具有紧密纤维排列特点的葵花籽壳和废弃竹筷为生物质材料，通过生物质衍生技术同时引入异质元素N、B进行掺杂改性，制备N，B共掺杂碳纤维硬碳材料。利用显微方法和谱学方法对掺杂后的材料进行形貌、结构表征，系统研究材料作为钠离子电池负极在不同测试温度、不同电解液组分中的电化学储钠性能，同时研究异质元素掺杂硬碳材料电极在电化学嵌脱钠反应过程中电极与电解液界面特性。通过本项目的研究，旨在揭示N、B掺杂量对材料导电性能的提高及与电化学性能之间的内在关系，理解实现高能量密度、功率密度和长循环稳定性的电极材料的结构特点，为钠离子电池电极材料结构设计与应用提供科学依据和技术支持。

钠离子电池由于钠元素的储量丰富及其与锂元素相近的物理化学性质，近年来吸引了越来越多研究学者的关注。寻求合适的负极材料成为钠离子电池发展的关键，生物质或生物质废弃物衍生制备的硬碳材料被认为是理想的钠离子电池负极材料之一。本项目依据硬碳负极材料形貌需要有效调控及导电性需要进一步提高的技术进步需求，以废弃坚果壳类（葵花籽壳、开心果壳和花生壳等）及具有紧密纤维排列特点的废弃竹筷为生物质碳源，利用上述材料独有的结构特点，通过水热碳化和高温热解两步法，制备具有特定形貌特征的生物质衍生硬碳材料及其相应异质原子掺杂硬碳材料。. 主要研究结论如下：（1）以废弃开心果壳为碳源制备卷曲硬碳材料，对比不同热解温度对材料电化学性能的影响。当热解温度为1000℃时（PSHC-1000），电极表现出最佳的可逆比容量，良好的循环稳定性和倍率性能，进一步利用电化学阻抗谱研究了上述电极在首周循环过程的电极/电解液界面特性，通过计算得出PSHC-1000电极的电化学反应对称因子为0.1352。（2）以废弃花生壳为碳源制备板条状硬碳材料，研究不同水热处理时间对材料电化学性能的影响。研究发现水热碳化后，材料形貌发生明显变化，电化学测试表明，水热处理时间为4 h时，电极具有最高的可逆比容量，同时具有优异的倍率性能。（3）以废弃葵花籽壳为碳源制备具有较高长径比的碳微米纤维材料，其表面具有较多褶皱，能够吸附较多的钠离子以及提供更多的活性位点。（4）以废弃竹筷为碳源制备氮掺杂纤维状硬碳材料并研究其储钠性能，结果表明N 掺杂量过多时，对材料的电化学性能影响较大，储钠容量较低，少量掺杂时碳微米纤维的电化学性能较好，循环稳定性较优。. 本项目已发表学术论文10篇，申请中国发明专利1项。培养硕士研究生8名，本科生13名，参加国内学术会议6次。项目组成员2人晋升高级职称，2人获批国家自然科学基金支持。