南京航空航天大学张校刚教授团队CEJ：超快热冲击制备氮掺杂膨胀石墨负极用于钠离子电池

第一作者：黄康生、田世琦

通讯作者：贺文杰*，张校刚*

单位：南京航空航天大学，河南理工大学

对低碳和高效能源解决方案的迫切需求，促使研究人员开展了广泛的工作，旨在开发兼具高性能和低成本的二次电池。钠离子电池与锂离子电池都具有相似的摇椅式工作原理与相近的生产技术，且钠资源具有不受地域和丰度限制的巨大潜在优势，因此近年来钠离子电池技术受到了产业界和学界越来越多的关注。遗憾的是，与成熟的锂离子负极材料相比，钠离子电池（SIBs）负极材料仍处于优化筛选的探索阶段。因此，建立一种简单且可扩展的方法，制备具有更大层间距富含缺陷的石墨衍生材料对于推进钠离子电池的发展和应用十分必要。

基于此，南京航空航天大学张校刚教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Ultrafast Thermal Shock Synthesis of Nitrogen-Doped Expanded Graphite for High-Performance Sodium-Ion Battery Anodes”的文章。在这项研究中，团队结合高温热冲击（HTS）和氮掺杂两种策略，以氧化石墨为原料，开发了一种膨胀石墨负极材料的快速制备方法并成功应用于SIBs。电镜表征结果显示，合成的氮掺杂膨胀石墨（EGN）保持了类石墨的层状结构并且增加了层间距，为Na⁺的电化学插入提供了理想的通道。电化学测试表明EGN在0.05 A g⁻¹电流密度下可提供322 mAh g⁻¹的高可逆容量，并在1.0 A g⁻¹下循环1000次后仍保持了115 mAh g⁻¹的容量发挥。原位X射线衍射（XRD）和非原位拉曼分析揭示了钠化/脱钠过程中微观结构的动态演变。本研究制备的EGN兼具高效电化学性能和低碳制备优势，展现出在下一代SIBs负极材料应用中的巨大潜力。

图1。(a) 利用HTS技术制备EGN的过程示意图；(b) HTS升温曲线；(c) 高温加热过程的数码照片；（d-f）GO、EG、EGN的SEM图像。

图 2. (a) EGN 的TEM图像；(b) EGN的HRTEM 图像；(c) EGN的SAED图案；(d) GO、EG 和 EGN 的 XRD图案和；(e)拉曼光谱；(f) EGN、EG 的 N₂ 吸附和解吸等温线；EGN的高分辨率XPS光谱 (g) N1s；(h) O1s；(i) C1s。

图3. (a) 采用GO、EG和EGN阳极的钠离子纽扣电池的电化学阻抗谱；GO、EG和EGN电池的(a)循环性能(0.1 A g^-1)、(b)倍率能力和(c)高电流密度(1.0 A g^-1)下的循环性能比较。(e)与之前发表的典型碳阳极的倍率性能比较；(f) 不同扫描速率下EGN电池的CV曲线；(g) 在1 mV s^-1扫速下EGN中的赝电容贡献图；(h) EGN在不同扫速的电容贡献占比。

图4. (a) EGN电池的GITT曲线和相应的离子扩散系数对数值。(b,c) 前两周循环中EGN电池的GCD曲线和等高线图；(d,e) 第一次充电/放电过程中EGN电池的非原位拉曼光谱图；(f) 放电曲线（0.1 A g⁻¹）；

Ultrafast Thermal Shock Synthesis of Nitrogen-Doped Expanded Graphite for High-Performance Sodium-Ion Battery Anodes

张校刚：南京航空航天大学教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，现任江苏省高效电化学储能技术重点实验室主任，江苏省能量转换材料与技术重点实验室主任，江苏省材料学会副理事长。主要从事电化学储能材料与器件研究，连续多年入选科睿唯安全球高被引学者和爱思唯尔中国高被引学者榜单。课题组目前已在Nat. Commun., Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed., Mater. Today, Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci., Nano Energy, Acs Energy Letters., Chem. Mater., Chem. Sci.等国际高水平权威杂志上发表逾百篇学术论文，并获教育部自然科学奖、江苏省科学技术奖等荣誉多项。

黄康生：博士毕业于南京航空航天大学张校刚课题组，现任于河南理工大学，讲师。近年来一直从事新能源储能材料与器件的相关研究工作，致力于钠离子电池、锂金属电池电极材料和电解液设计方向的研究。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed., Chemical Engineering Journal., Journal of Materials Chemistry A., ChemSusChem., Nano research.等国内外期刊。

张校刚教授课题组依托于南京航空航天大学材料科学与技术学院，在功能材料的设计制备、电化学储荷机理研究、新型储能器件的设计和构建等领域取得了一系列研究成果。课题组目前已在Nat. Commun., Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed., Mater. Today, Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci., Nano Energy, Chem. Mater., Chem. Sci.等国际高水平权威杂志上发表逾百篇学术论文，并获教育部自然科学奖、江苏省科学技术奖等荣誉多项。

课题组网站: http://electrochem.nuaa.edu.cn/main.htm