中北大学李丹，Carbon观点：Fe-N催化SEI膜转化实现N/S共掺杂多孔炭的高效储钠

第一作者：马铁

通讯作者：李丹*，吴光平*，郭丽*

单位：中北大学

钠离子电池（SIB）因成本低、资源丰富以及和锂相似的物化性质等优势成为储能器件的焦点之一，有望成为锂离子电池的替代。硬炭拥有长循环寿命、高导电率以及低成本，使得其在作为钠离子电池负极材料上的应用备受青睐。在硬炭储钠的相关研究中，杂原子掺杂改性可以实现对硬炭本征缺陷以及孔隙的调控，并且可以通过改变原子种类以及多原子共掺杂来实现不同的改性需求。然而，杂原子掺杂带来性能提升的同时也会带来过多的缺陷从而引发更多的副反应，引起固体电解质界面膜的过度生长。因此，寻求合理的手段弥补杂原子掺杂炭的缺点对于硬炭的发展非常重要。

近日，来自中北大学的李丹在国际知名期刊Carbon上发表题为“Iron-decorated N/S co-doped porous carbon for sodium-ion battery anode to achieve high initial coulombic efficiency”的学术论文。本研究利用Fe修饰N/S共掺杂的多孔炭，研究了Fe-N对于SEI膜转化过程的催化机理以及性能提升机制。Fe在电化学反应过程中参与了无机钠盐NaF的转化，释放出大量可供迁移的Na⁺并抑制SEI膜的过度生长。因此，Fe修饰的N/S掺杂多孔炭表现出371.3mAh/g的比容量以及85.9%的首次库伦效率。

在前驱体溶液中加入铁源，同时引入氮源和硫源实现N/S的同步掺杂。以NaCl为模板，通过冷冻干燥得到前驱体。经过碳化之后洗涤模板得到Fe修饰的N/S掺杂多孔炭材料。一方面，液相原位同步掺杂实现了原子掺杂的均匀分布；另一方面，三维交织的碳网络提供了优异的导电性。

在本项研究中，Fe修饰的N/S共掺杂多孔炭材料，通过对元素的协同作用以实现对钠离子电池负极性能的显著提升。Fe的引入与N元素形成了Fe-N，在电化学反应过程中，催化固体电解质界面(SEI)膜的转化。这一过程不仅促进了更多的Na⁺参与到电化学反应中，从而增强材料的储钠性能，而且有助于形成更加均匀致密的SEI膜，优化Na⁺的传输动力学。

此外，Fe与S元素的结合在多孔炭表面引入了额外的活性位点，进一步增加了储钠容量。Fe修饰在提升N/S共掺杂炭材料性能方面发挥了多重作用，不仅提高了其电化学活性，还有效弥补了由于N/S共掺杂可能引入的缺陷，实现了材料性能的全面提升。

通过采用XPS对不同电位下的电极材料进行分析，验证了Fe在Na⁺存储过程中的参与。在Na⁺的插入和脱出过程中，FeFx和Fe的相对含量发生了变化。这一现象归因于Fe和FeFx在Fe和NaF之间的可逆转变，该过程促进了更多的可迁移Na+参与电化学反应，从而增强材料的储钠能力。此外，经Fe修饰的N/S共掺杂固体电解质界面（SEI）膜中，有机组分的比例显著降低。这种组成上的优化减少了界面阻抗，有利于Na⁺的快速穿梭。铁的修饰在N/S共掺杂炭材料中实现了多方面的性能提升，包括更高的储钠容量和更快的离子传输动力学。

Iron-decorated N/S co-doped porous carbon for sodium-ion battery anode to achieve high initial coulombic efficiency