刘勇教授课题组在高首效钠离子电池碳负极材料研究领域取得重要进展

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钠离子电池具有钠资源丰富、分布广泛和成本低廉等优点，有望应用在可再生能源发电侧大规模储能。然而，广泛研究用于钠离子电池负极材料的硬碳（也称“非石墨化碳”）由于无序堆叠的碳片层和缺陷使得钠离子在首次充放电过程出现不可逆脱嵌，导致高电势斜坡区不可逆容量大和首次库仑效率(首效) 低，极大地降低全电池的能量密度。
         中山大学材料科学与工程学院刘勇教授课题组在前期工作以石墨模板诱导生物质生长内嵌纳米石墨晶的高度有序结构硬碳实现91%的首效[Advanced Energy Materials,2019, 9: 1803648]; 及共生大面积类石墨晶体的高度有序结构硬碳实现95.0%的首效[Advanced Functional Materials, 2022, 32: 2106980]的基础上，进一步认识到：石墨模板诱导热裂解的碳原子和六元碳环流态化有序地组装为晶体碳应在略高于热解峰温度(类似于相变中相对于平衡温度需要一定的过冷或过热提供驱动力)长时间驻留。通过分析鸡蛋壳膜的热重微分曲线，在其热解峰(330 ℃)后的第一拐点温度(380 ℃)驻留36小时并以石墨模板诱导就可以低温下外延生长类石墨晶体碳；再将温度提升到1300 ℃热处理彻底去除异质原子和官能团后生长成为类石墨晶体碳/石墨复合的全晶质结构(即不含硬碳的赝石墨微畴和缺陷)，这种类石墨晶体​​的晶格常数(a=b=2.8759(8) Å，c=7.790(5) Å)和(002)晶面间距d=3.895 Å相对石墨同比例放大了1.15倍，在The Cambridge Crystallographic Data Centre申请的CSD号为2151494。类石墨晶体碳中完美的平行碳片层及大的(002)晶面间距有利于钠离子的可逆嵌入和脱出。全晶质结构类石墨晶体碳没有高电势斜坡区，只在0.5 V以下有低电势平台区，表现出与锂嵌入石墨相似的电化学特征，实现了99.5%的首次库仑效率，并高于目前锂离子电池石墨储锂的首效(90-95%)。

                                                                    图1全晶质结构类的材料表征和首次充放电曲线（五个电池样品）
        相关成果以“Completely crystalline carbon containing graphite-like crystal enables 99.5% initial coulombic efficiency for Na-ion batteries”为题发表在国际著名学术刊物Materials Today上。于肖博士为第一作者，刘勇教授为通讯作者，中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该工作得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金和光电材料与技术国家重点实验室的大力支持！
       文章链接： https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.07.013
       文章来源：中山大学
       刘勇，博士，中山大学材料科学与工程学院教授。主要研究方向：锂/钠离子电池。