哈工大孙飞JMCA：硼掺杂硬碳纳米球的多尺度结构优化和钠离子平台存储容量的提高
文章信息
硼掺杂硬碳纳米球的多尺度结构优化和钠离子平台存储容量的提高
第一作者：吴东阳
通讯作者：孙飞*，赵广播*
单位：哈尔滨理工大学
研究背景
与锂相比，钠的地理丰度更高，因此钠离子电池 (SIB) 锂离子电池 (LIB) 已广泛探索潜在替代品。尽管 SIBs 和 LIBs 电化学原理有相似之处，尤其是对 Li 或 Na 嵌入和吸附碳阳极的机制，但 Na 大离子半径使传统的商业石墨阳极无法捕获 Na 进入中间层，导致它 Na 存储容量小于100 mAh g-1。
多尺度结构特征(形态、结晶度、掺杂功能)，包括硬碳、软碳和多孔碳，已被证明能有效提高钠离子电池的阳极性能。
多尺度结构特征（形态、结晶和掺杂功能），包括硬碳、软碳和多孔碳，已被证明能有效提高钠离子电池的阳极性能。这些多尺度结构的一步调整策略仍然非常可取。本文报告了优化球形、结晶参数和硼掺杂环境等碳基多尺度结构的简单硼掺杂策略，以增强 Na 钠离子电池具有存储性能和高性能。
【文章简介】
近日，来自哈尔滨工业大学的孙飞教授等国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上述发表题为Multi-scale structure optimization of boron-doped hard carbon nanospheres boosting plateau capacity for high performance sodium ion battery研究文章，本文报告了一种优化碳基多尺度结构的简单硼掺杂策略，包括球形、结晶参数和硼掺杂环境 Na 碳合成是由氢键引导的??组装过程实现，然后以硼酸和葡萄糖为硼和碳源进行高温碳化，赋予硼混合硬碳纳米球多分散的纳米球形态和特定的硼类型（BC3和B-C-O）扩大层间距。
?这些结构优势共同提高Na 存储容量和倍率能力。特别是硼碳负极的平台容量比非硼碳负极高67%，特别是插层容量高近3倍。第一次揭示了硼掺杂碳中间层的增强 Na 扩散和插入动力学，大大提高了嵌入容量。此外，恒电流间歇滴定技术（GITT）碳阳极与原位测量共同证明硼混合，促进了微晶中间层之间的发展Na 扩散动力学促进了扩散控制Na 插入过程。建造的全电池有244.6 Wh kg-能量密度高，循环稳定性好。
【本文要点】
要点一:原位硼掺杂的硬碳纳米球结构
分别以葡萄糖和硼酸为碳和硼前体，采用水热聚合和高温碳化相结合的方法制备了硼掺杂硬碳球（BHCS）。具体来说，葡萄糖和硼酸的混合溶液通过水热诱导共聚产生硼聚合物球(记为BPS），进一步碳化生成硼硬碳球（BHCS-x，x指碳化温度）。硼原子原位与碳骨架混合是通过葡萄糖与硼酸中羟基之间的氢键相互作用实现的。获得的硼与硬碳纳米球混合，多分散的纳米球形态和特定的硼类（BC3和B-C-O）和扩大的层间距离。
图1. 硼掺杂硬碳纳米球制备示意图和形状特征。
图2. 硼与硬碳纳米球混合，包括微晶结构、孔隙结构和功能点的多尺度结构特征。
小老板海藻：16岁赚100万，19岁成为亿万富翁，曾经是败家子的他怎么翻咸鱼？
要点二:硼掺杂硬碳纳米球显著增加储钠平台容量
将硼原子引入碳表面可以优化多分散球形状，扩大层间距，从而全面提高Na 存储性能，特别是在低压区域的平台容量方面。与无硼碳负极相比，硼硬碳纳米球的平台容量为83 mAh g-1增加到139 mAh g-1.插层容量从 34.7 mAh g-1增加到103.2 mAh g-1。
图3. 硼掺杂硬碳纳米球的电化学性能表征和储钠动力学分析。
要点三:理论计算揭示硼掺杂增强Na 扩散和插入动力学
DFT 计算进一步揭示了掺杂硼原子的增强 Na 动力学的存储和扩散机制。BC3型不仅有效地改善了碳表面Na 它们之间的导电性和吸附性促进了微晶层之间的影响Na 嵌入行为。GITT和原位XRD进一步证明硼物种可以改善微晶中间层Na 扩散系数促进扩散控制Na 插入过程。
图4. DFT计算不同硼掺杂结构对碳基表面密度和电荷分布的影响。
图5. DFT计算揭示了不同硼掺杂构型碳基对钠离子扩散能垒的影响。
图6. 硼与硬碳纳米球中钠离子扩散的力学表征和钠储存过程的原位XRD。
要点4：硼掺杂硬碳纳米球的全电池性能验证
用Na3V2(PO4)3正极组装的全电池 244.6 Wh kg-工作电压为3.24 V，以及良好的循环稳定性。200 次循环后，BHCS-1200//NVP 电流密度为 0.5C高容量保持率为91.7%，HCS-1200//NVP的容量仅为81.2%，表明硼掺杂对提高碳基Na 长期循环稳定性在存储过程中起着重要作用。
图7. 硼与硬碳纳米球的全电池性能混合。
文章链接
Multi-scale structure optimization of boron-doped hard carbon nanospheres boosting plateau capacity for high performance sodium ion battery
https://doi.org/10.1039/D2TA04194D
【通讯作者简介】
孙飞教授简介：哈尔滨工业大学青年拔尖教授，博士导师。致力于煤基资源热化学高值转化和功能技术、碳能质转化和储运的基础研究和技术开发。发表论文80多篇，第一和通讯作者在 Nano Letters, Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater., Combustion and Flame, Appl. Catal. B Environ, Carbon50多篇论文发表在出版物上，SCI他引2000余次。国家发明专利授权受理20余项。授权和接受20多项国家发明专利。主持或参与国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目、面对面项目、青年项目、企业技术开发项目等20余项研究骨干。
?
赵广播教授简介：哈尔滨工业大学教授、博士生导师。煤基能源高值热转化利用的研究方向。担任高等教育协会工程热物理委员会副主席、中国动力工程协会执行主任、大学能源与动力专业教学指导委员会委员、中国机械工业教育协会能源与动力工程学科教学委员会热能工程分会副主席。20多个项目，包括国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金重大项目、国家科技支持计划和国家863计划。发表论文100多篇，授权国家发明专利 50余项。
【第一作者介绍】
郑重声明：本文版权归原作者所有，转载文章仅为传播更多信息之目的，如作者信息标记有误，请第一时候联系我们修改或删除，多谢。
标签：
评论