华侨大学谢奕明教授：茶衍生可持续硬碳材料|南屋科技能源学人平台 -

【研究背景】

硬碳(HC)具有层间距大、孔隙率和缺陷多的特点，存在较高的可逆容量和较低的氧化还原电位，是极具潜力的钠离子电池（SIBs）负极材料。硬碳的前驱体包括生物质、树脂和聚合物等前驱体。与树脂基和聚合物基相比，低成本的生物质衍生材料具有优异的电池特性，其材料来源广泛，是生产企业最青睐的材料。然而，HC还存在着一些亟需解决的问题，如首次库仑效率(ICE)低、倍率性能不够出众、电解质/电极界面不稳定性导致的长循环性能不佳等。减少HC在首次充放电过程中不可逆的Na⁺以及在形成固体电解质界面(SEI)过程中活性Na⁺的过量消耗，提升HC负极的可逆容量和ICE，将有助于促进其在SIBs中的大规模应用。

【工作简介】

华侨大学谢奕明教授课题组联合中国科学院福建物质结构研究所卢灿忠研究员团队和哈佛大学张兴才研究员团队提出了一种经济有效的方法来制备具有优异电化学性能的硬碳材料。通过简单酸洗制备出高ICE（90.8%）和优异循环稳定性（在280 mA g⁻¹下循环500次后，容量保持率为99.5%）的茶梗基硬碳材料。研究表明这种显著的高ICE是由于其在首次放电过程中生成一种富含无机、薄而坚固的固体电解质界面(SEI)层。此外，其作为钠离子全电池的负极材料时，在没有预钠化负极的情况下，表现出212 Wh kg⁻¹的高能量密度和优异的循环稳定性，其在1 A g⁻¹电流密度下循环1000次后，比容量为93.1 mAh g⁻¹，容量保持率为91.3%。通过原位XRD和非原位Raman分析证实，该材料的储钠能力主要归因于吸附-插层和填充效应。这一发现使这种生物质茶梗衍生硬碳材料有望凭借低成本及高性能优势，成为钠离子电池商业化应用负极材料的候选者。

该工作以Tea-derived Sustainable Materials为题发表在国际权威期刊《先进功能材料》上并被选为期刊的卷首封面文章（Advanced Functional Materials，2024，2310226. DOI: 10.1002/adfm.202310226）。华侨大学硕士研究生何绮珊和中国科学院福建物质结构研究所陈慧鑫高级工程师为本文共同第一作者。

【图文展示】

图1 TS-1400-HCl 和TS-1400结构表征：(a) XRD图，(b) FTIR图，(c) Raman图，(d)吸附脱附等温线，(e) TS-1400-HCl的孔径分布图，(f) TS-1400孔径分布图。(g-h) TS-1400-HCl的HRTEM图和(j)元素分布图，(i) TS-1400 HRTEM图。

图2 TS-1400和TS-1400-HCl 在钠离子半电池中的电化学性能：在28 mA g⁻¹电流密度下前(a)三圈恒流充放电曲线，(b)倍率性能和(c)循环性能；(d)在280 mA g⁻¹电流密度下的循环性能。(e)在低电流密度下不同来源硬碳的ICE和比容量对比图，(f)在不同电流密度下不同前驱体硬碳的循环稳定性和容量保持率对比图。

图3 TS-1400-HCl储钠机理的表征：(a)原位XRD和根据XRD谱图计算相应的层间距演变图，(b)非原位Raman图，(c)和(d)为储钠机理示意图。

图4 TS-1400-HCl的界面化学：(a) C 1s, (b) O 1s和(c) F 1s 的高分辨XPS谱图，(d-e)原始电极的HRTEM图，(f-j) TS-1400-HCl在1.4 A g⁻¹电流密度下循环50圈后的HRTEM图。

图5 (a) TS-1400-HCl电极在不同循环圈数下的阻抗，(b) TS-1400-HCl和TS-1400的R值比较图，(c) TS-1400-HCl 的Na⁺扩散系数，(d) TS-1400-HCl电极在0.1 mV s⁻¹扫速下的前五圈CV曲线图，(e) TS-1400-HCl电极从0.1-1.0 mV s⁻¹扫速下的CV 曲线图，(f)基于CV曲线计算得出的Log (v) vs. log (I)图，(g) 电解质中Na⁺的溶剂化结构:1.0 M NaCF₃SO₃电解质的MD模拟电池快照，(h) MSD比时间图。

图6 TS-1400-HCl//NVP全电池的电化学性能：(a) TS-1400-HCl//NVP全电池的结构说明，(b) 在0.1 mV s⁻¹扫速下TS-1400-HCl//Na半电池和NVP//Na半电池的CV曲线图，(c) TS-1400-HCl//Na半电池和NVP//Na半电池的首圈充放电曲线图，(d)预钠化TS-1400-HCl//NVP 全电池和未预钠化TS-1400-HCl//NVP全电池在0.05 A g⁻¹电流密度下前两圈的充放电曲线图，(e)倍率性能，(f)循环性能，(g)能量密度比功率密度图。

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2024-01-20