杂化原子耦合硬碳储钠特性的研究

Sodium-ion batteries have potential advantages of widespread materials availability, low cost and environmental benignity, showing great potential in the field of large-scale static energy storage. Possessing the advantages of low potential, high initial capacity and electronic conductivity, but also abundant resources, low cost, environmental friendliness and facile for synthesis, hard carbon is considered to be one of the most promising anodes for sodium ion batteries. However, its application as sodium storage anode is largely hindered by its structural stability and sluggish kinetics. In order to address this problem, this project is planned to optimize its electrochemical properties through tailoring the interlayer spacing and electronic structure using atomic doping like S, Se, F and I. Systematic investigations including synthesis of doped hard carbon using carbon black as carbon source through method of high energy mechanic milling, influence of different doping atom on the electrochemical behavior, and sodium storage mechanism of hard carbon assisted by theoretical calculation, will be carried out. This project will open up and provide theoretical guidance and technical support for the designing high performance sodium ion batteries.

钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、环境友好等优点，在大规模静态储能领域具有广阔的应用前景。硬碳材料不仅具有较低的电势、较高的初始容量和导电性，还具备成本低廉、环境友好、制备简单等显著优势，是一类理想的钠离子电池负极材料。然而，钠离子在硬碳中的结构稳定性和动力学障碍极大地限制了其作为嵌钠负极的应用。为了解决这一问题，本申请从共价半径、电负性和键能三个方面出发，拟采用S、Se、F、I等原子掺杂改性的方式，重点地通过对硬碳石墨微晶层间距和电子结构等微观参数的调控，达到优化其电化学反应能力的目的。具体研究内容包括，以乙炔黑为硬碳前驱体，采用高能球磨法制备杂化原子耦合的硬碳；探索不同杂化原子对硬碳的结构和电化学性质的影响；结合理论计算，阐明杂化原子耦合硬碳的储钠电化学反应机理。本项目的实施，有望为发展高效廉价的钠离子电池提供理论基础知识和技术支持。

硬碳材料是一类具有潜力的钠离子电池负极材料。本项目围绕杂原子掺杂硬碳的结构设计、反应性质和储能机理三个方面开展研究，深入研究了不同原子掺杂硬碳的结构，与其电化学性能和反应机理的关系，揭示了杂原子提高硬碳储能性能的普遍性规律。首先，采用了预硫化聚合策略，合成了掺杂位点可控的硫掺杂碳，揭示了掺杂位点对硬碳结构、电化学和反应机理的影响规律，提出了一种提高硬碳储钠性能的普适性规律。在此基础上，以细菌纤维素为模板，合成了一种硫掺杂的碳纳米纤维，进一步探索了掺杂原子和微纳结构双重因素对硬碳性能和机理的影响。结果表明具有特殊结构的硬碳电极的反应动力学受电化学表面吸附控制。理论计算表明，硫掺杂碳纳米纤维，可以有效提高碳材料的电化学活性，降低钠离子扩散阻力。接着，采用一步真空热解法，制备了磷和硫共掺杂的碳材料，探索了共掺杂原子对其性能的影响。DFT计算结果表明，磷和硫共掺杂，尤其是磷原子，不仅可以促进钠离子的吸附，而且可以提高电化学反应动力学，提高储钠性能。最后，研究还发现原子半径较大的碘、硒，以及电负性较强的氟原子，在硬碳材料内掺杂水平较低，对碳材料的储钠性能影响较弱。