石墨层间距在中间尺度范围内的可控调节及储钠性能研究

When the graphite layer is in medium scale (considered initially in 0.339-0.500 nm), the graphite layer has a significant effect on properties of graphite functional materials, such as the reversible sodium storage properties, adsorption characteristics and catalytic effect. However, there is lack of the method to adjust the graphite layer in medium scale and there is a few of related research which leads to the research field and related concept is not clear. .The new method that elarging the graphite layer firstly by chemical intercalation and then fixing the middle and edge of carbon layer by chemical treatment and carbon coated is adopted to adjust the graphite layer in medium scale, using natural graphite as raw material. The graphite with the layer in medium scale is carried out by the the first principle calculations and experimental studies combinatorially which hopes to reveal the mechanism of adjusting the graphite layer in medium scale, establish a system method of adjusting the graphite layer in medium scale, reveal the impact mechanism on reversible sodium storage properties by the graphite layer in medium scale and establish a system method of graphite anode materials used as high performance sodium-ion battery. It is helpful for speeding up the industrialization of the sodium-ion battery and providing a theoretical basis and technical guidance which has an great significance for achieving a low carbon economy and sustainable development.

当石墨的层间距处于中间尺度(初步定为0.339-0.500 nm之间)范围内时，层间距对石墨功能材料的性质(如可逆储钠性能、分子筛吸附特性和催化效应等)有显著影响。目前尚缺乏在中间尺度范围内可控调节层间距的方法，其相关研究也很少，还没有明确界定这一研究领域及相关概念。 .项目以天然石墨为原料，采用先化学插层扩大层间距，后采用化学处理和炭包覆固定碳层的中间和边缘的新方法，对石墨层间距在中间尺度范围内进行可控调节。将第一性原理计算和实验研究相结合，期望阐明石墨层间距在中间尺度范围内的可控调节机理，建立系统的可控调节方法，揭示中间尺度层间距对石墨可逆储钠性能的影响机理，建立高性能钠离子电池石墨负极材料的系统制备方法。为加快钠离子电池的产业化提供一定的理论基础和技术指导，对实现低碳经济和可持续发展具有重大现实意义。

当石墨的层间距处于中间尺度范围内时，层间距对石墨功能材料的性质(如可逆储钠性能、分子筛吸附特性和催化效应等)有显著影响。项目重点研究石墨层间距的调节方法以及层间距对可逆储钠性能的影响。.项目以天然石墨为原料，采用高能球磨、热处理氧化石墨和高温油相法等多种实验方法对石墨层间距进行有效调控，研究了不同层间距石墨的可逆储钠性能。研究表明，石墨储钠容量很低，仅为20 mAh/g左右，不能直接作为钠离子电池负极材料使用。采用高能球磨改性可将碳层间距增大至0.345 nm，储钠容量提高至128.4 mAh/g，但首次库伦效率低，最大仅为31.6%。采用热处理氧化石墨可将碳层间距在0.360-0.393 nm范围内进行调控，储钠容量可达181.6 mAh/g，但首次库伦效率仍然较低，最大仅为24.8%。主要原因是这些处理方法在增大层间距的同时增大了比表面积，导致库伦效率下降。而采用先高温油相处理、后热处理的方法可将碳层间距调整至0.372 nm，同时具有较小比表面积，该材料储钠容量达268.4 mAh/g，首次库伦效率为79.2%，达到目前文献的最好水平，同时具有良好的循环性能和倍率性能。.同时构建双层石墨结构模型，采用第一性原理计算探索和揭示了石墨的可逆储钠机理。双层石墨中，随着嵌钠量逐渐增加，碳层间距增大；并且碳层由AB堆垛转化为AA，无缺陷双层石墨储钠容量超过120 mAh/g。含有缺陷的石墨随缺陷浓度增加，储钠容量随之增加，单、双空位石墨理论嵌钠容量分别为383 mAh/g和263 mAh/g。Na优先吸附在碳层缺陷位置，随后填充在层间和表面无缺陷区域，并且Na在碳层表面和层间向缺陷扩散的能垒低于脱离缺陷的能垒，因此，缺陷能够提高石墨的储Na能力。.另外还探索了掺杂复合对石墨层间距和储钠性能的影响，发现SnO2、TiO2和Sn3P4掺杂石墨可以进一步提升储钠容量，其中SnO2掺杂可逆容量提高至425.1 mAh/g。.本研究从实验角度建立了石墨层间距在中间尺度范围内的可控调节方法，从理论计算角度揭示不同层间距的石墨可逆储钠机制，为石墨材料在钠离子电池中的应用提供了理论依据及技术指导。