广东工业大学孙志鹏教授课题组Carbon：氮/磷共掺超微孔硬碳球用于快速储钠- 大数跨境

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广东工业大学孙志鹏教授课题组Carbon：氮/磷共掺超微孔硬碳球用于快速储钠

科学材料站

2023-12-22

导读：广东工业大学孙志鹏教授课题组Carbon：氮/磷共掺超微孔硬碳球用于快速储钠

文章信息

氮/磷共掺超微孔硬碳球用于快速储钠

第一作者：吴胜

通讯作者：徐俊岭*，孙志鹏*

单位：广东工业大学

研究背景

目前，锂离子电池是应用最广泛的储能电池系统。随着锂离子电池的生产成本不断上升，对资源丰富的低成本替代品的需求应运而生。钠离子电池已经成为锂离子电池的潜在替代品。然而，较大的Na⁺半径和缓慢的扩散动力学给寻找具有满意的ICE、高速率性能和长寿命的阳极材料带来了挑战。在所有材料中，硬碳是最佳选择，因为它具有大量的石墨微晶，缺陷和低氧化还原电位。

然而，由于硬碳的钠存储位点有限，使得其在实际应用中仍存在不足。为了解决这一问题，在硬碳材料中掺杂氮、磷、硫、氟等杂原子可以改变材料的理化性质，从而有效地克服了这一局限性。同时，具有超微孔结构(直径尺寸为0.7 nm)的硬碳材料可以有效地减少电解质对碳表面的暴露，从而改善硬碳材料的首次库伦效率。本篇文章展示了在氮掺杂的超微孔碳球中加入额外的磷来设计用于先进钠离子电池的负极材料。

文章简介

近日，广东工业大学孙志鹏教授/徐俊岭博士团队在国际知名期刊《Carbon》上发表题为“Nitrogen/phosphorus co-doped ultramicropores hard carbon spheres for rapid sodium storage”的研究文章。该文章通过典型的聚合和碳化两步策略在氮掺杂的超微孔碳球（NUCS）中加入额外的磷来合成具有丰富超微孔结构的氮、磷共掺杂硬碳球（NPUCS）。磷的加入提高了活性氮-吡啶氮的含量同时也促进了超微孔的形成，制备的材料表现出优异的储钠性能。同时还使用了XRD和XPS等多种表征手段对材料的储钠机制进行了深入的探究，并得出了可靠的结论。

图1. 材料的合成以及结构表征（a）合成示意图，（b）XRD,（c）Raman,（d）孔径分析,（e，f）XPS N 1s高分辨谱图,（g）XPS P 2p高分辨谱图。

图2. 动力学机理分析（a）不同扫速CV曲线,（b，c）赝电容贡献率,（d）阻抗图谱,（e，f）GITT测试，（g）非原位XRD，（h，i）非原位XPS。

图3. 全电池性能（a）工作示意图,（b）首次充放电曲线,（c）倍率性能,（d）循环性能。

本文要点

要点一：制备出具有丰富超微孔结构并且活性氮种类提高的硬碳球

吡啶氮诱导了额外的缺陷和钠存储位点，因此比其他类型的氮具有更高的钠吸附能力，更有利于Na⁺的吸附。为了获得足够比例的吡啶氮，在碳骨架中加入杂原子(如磷、氟)可以完全改变碳骨架的电子结构，带来更多的边缘缺陷位点，有助于吡啶氮的富集。同时，超微孔结构(直径尺寸为0.7 nm)可以有效地减少电解质对碳表面的暴露，而不影响Na⁺的快速扩散动力学，从而减缓SEI膜的形成。因此，合成具有均匀超微孔的硬碳是获得高ICE的有利途径。我们很好的将这两个策略结合在一起，通过额外的磷掺杂合成了活性氮种类提高的超微孔硬碳球，全面提升了材料的整体储钠性能。

要点二：Na⁺存储机制

硬碳的储钠机制存在三种主流认可的机制，倾斜区的吸附机制是大家所公认的，争议最大的主要是平台区的嵌入/脱出和孔隙填充，所以表征清楚钠离子的存储机制显得尤为重要。此项研究工作中，作者采用XRD和XPS等表征手段进行了深入的研究。研究中使用非原位XPS既分析了缺陷位点对材料倾斜区容量的影响，又通过对充放电过程中Na准金属态的动态变化确定了材料在平台区存在孔隙填充的机制。在非原位XRD的分析中，峰位置随着充放电状态的变化也符合电极材料在平台区的嵌入/脱出机制。

要点三：全电池应用探索

钠离子离子电池因其成本低、安全性高等优势，在大型储能设备上具有相当客观的前景，所以，在全电池中的探索是十分必要的。该研究将NPUCS为负极，氟磷酸钒钠为正极组装全电池测试系统。在0.1 A g^-1时，全电池的第一次放电容量为143.1 mAh g^-1，经过350次循环后容量保持在115.7 mAh g^-1，容量保持率为94.7%。单个的全电池可以点亮小灯泡，这优异的容量和循环稳定性以及展现出来的实用价值，证明NPUCS电极在储能设备的应用上是具有潜力的。

文章链接

Nitrogen/phosphorus co-doped ultramicropores hard carbon spheres for rapid sodium storage

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118756

通讯作者简介

徐俊岭 博士简介：广东工业大学特聘副教授，香港中文大学博士，主要研究方向为高性能二次电池材料的开发以及新型电池反应的探索，在Nano Energy, Green Chem., J. Mater. Chem. A等杂志发表SCI论文50余篇，担任Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、Mater. Today Chem.等期刊审稿人。

孙志鹏 教授简介：国家海外高层次引进人才，广东工业大学材料与能源学院副院长，校“百人计划”特聘教授，博士生导师，广东省重大人才工程团队核心成员，江苏省“双创人才”（创新类）。现从事有关新能源存储与转换器件（包括：锂/钠/锌离子电池、超级电容器、燃料电池等），介孔功能复合材料和传感器等研究。迄今为止，共发表SCI学术论文100余篇，出版中文论著1部，授权国家发明专利8件。先后主持国家自然科学基金、国家质检总局科研基金、留学回国人员启动基金、广东省科技厅国际合作基金、企业横向等20项。此外，长期参与科技部国际合作项目、教育部重大人才项目、广东省科技厅/浙江省科技厅/新疆科技厅等项目评审工作，担任Adv. Mater., Small, Appl. Catal. B-Environ., 等10多个核心期刊的评审人。

研究团队介绍

新能源与功能材料实验室 (x-mol.com)

团队网址

https://www.x-mol.com/groups/sun_zhipeng

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