宋怀河教授课题组， Small观点：一种通用的多界面策略来实现致密炭材料作为锂/钠离子电池负极时综合电化学性能的提升- 大数跨境

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宋怀河教授课题组， Small观点：一种通用的多界面策略来实现致密炭材料作为锂/钠离子电池负极时综合电化学性能的提升

科学材料站

2022-03-10

导读：该工作提出了一种多界面的设计策略，将结晶的石墨烯均匀嵌入在无定型炭基体内部，形成大量联通的界面结构

文章信息

一种通用的多界面策略来实现致密炭材料作为锂/钠离子电池负极时综合电化学性能的提升

第一作者：袁满

通讯作者：宋怀河*

单位：北京化工大学

研究背景

负极材料是制约锂/钠离子电池技术进步的关键因素，尤其是开发出在大电流密度下依然能够同时表现出高质量/体积比容量的负极材料，仍然是一项充满挑战性的任务。

炭材料是目前最具发展潜力的负极材料，通常认为，特殊的形貌设计，如减小颗粒尺寸、构建多孔结构或增加碳层间距等，可以有效地提高炭负极材料的电化学性能。

然而，上述方法都会不可避免地导致高比表面积和低堆积密度，进而导致较低的首次库伦效率和体积比容量，最终影响材料的实用价值。如何实现电极材料电化学性能的全面提升，尤其是在高致密度的前提下实现倍率性能的提升仍然是一个挑战。

文章简介

基于此，北京化工大学宋怀河教授课题组在国际知名期刊Small上发表题为“A General Multi-Interface Strategy toward Densified Carbon Materials with Enhanced Comprehensive Electrochemical Performance for Li/Na-Ion Batteries”的研究工作。

该工作提出了一种多界面的设计策略，将结晶的石墨烯均匀嵌入在无定型炭基体内部，形成大量联通的界面结构。密集的界面结构一方面可以在炭化的过程中成为气体逸出的通道，保证炭化产物的高致密度、低孔隙率结构；另一方面，作为电极材料时，密集的界面结构又可以作为离子电子高速传输的通道。最终，在保证材料高致密度的基础上实现了倍率性能的有效提升。

本文要点

要点一：石墨烯/硬炭球的形成机理及形貌表征

将石墨烯与蔗糖的混合溶液喷入高温热油中，溶液进入油中后在表面张力的作用下会乳化成球状液滴，水分迅速挥发后球形结构将固定下来，溶剂快速挥发的过程中产生的毛细力会使石墨烯的片层结构弯曲褶皱，最终形成石墨烯均匀嵌入在硬炭微球内部的结构。

图1. （a）GH的制备路线示意图。（b-k）GH5、GH100和GH0的SEM与TEM图像。

要点二：石墨烯/硬炭球的结构表征

将GH5-1000与普通的蔗糖基硬炭微球（HCS-1000）和石墨烯包覆的蔗糖基硬炭微球（G@H-1000）进行对比，证明在GH5-1000中，石墨烯与硬炭并不是简单的机械混合，二者通过化学键的连接形成了过渡层，存在大量的内部界面结构，并且表现出了远低于普通硬炭微球以及石墨烯包覆硬碳微球的比表面积和孔结构，以及较高的振实密度。

图2. GH5-1000、HCS-1000和G@H-1000的结构表征。

要点三：电化学储锂/钠性能

相比于HCS-1000和G@H-1000，GH5-1000表现出优异的储锂/钠性能，在10A g^-1的电流密度下，依然能够保持154.0 mAh g^-1的储锂质量比容量和93.3 mAh g^-1的储钠质量比容量。同时，考虑到GH5-1000较高的振实密度，其体积比容量更是远高于其它两组材料。与其它报道的文献相比，GH5-1000的储锂/钠倍率性能要远高于其它致密炭材料，即使是与二维或者多孔材料相比，其倍率性能依然具有一定的竞争力。

图3. （a-f）电化学储锂性能。（g-l）电化学储钠性能。

要点四：电化学储钠动力学分析

通常情况下，材料倍率性能的提升往往来自于电容型行为占比的增加。而在本工作中，通过不同扫速的CV曲线分别计算出三组样品的电容/扩散行为占比，发现GH5-1000虽然倍率性能远高于其它两组材料，但是其电容行为的占比相比于HCS-1000并没有显著增加，反而低于G@H-1000。

这说明在这种嵌入式多界面结构中，石墨烯的加入并没有改变钠离子的储存形式，结合交流阻抗分析，其电子、离子电导率则显著提升，这是由于GH5-1000内部的多界面结构构筑出密集的电子、离子高速传输通道，从而实现材料倍率性能的提升。

图4. GH5-1000电化学储钠动力学分析：（a）不同扫速下的CV曲线；（b）电容贡献占比；（c-d）交流阻抗测试；（e）GH5-1000和G@H-1000的离子电子动力学扩散机理图；（f-h）低温性能。

文章链接

A General Multi-Interface Strategy toward Densified Carbon Materials with Enhanced Comprehensive Electrochemical Performance for Li/Na-Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202105738

通讯作者简介

宋怀河 教授

宋教授于1997年在中科院山西煤化所获得博士学位，1997-1999于北京化工大学材料科学与工程学院从事博士后研究，1999年加入北京化工大学，现为北京化工大学材料科学与工程学院教授，担任《新型炭材料》和《炭素》杂志编委会委员。

宋教授自1990年以来一直从事先进炭及复合材料的研究与开发，在沥青基炭材料、炭纳米结构及纳米材料、储能炭材料和介孔炭材料等方面具有扎实的研究基础和经验，从事多项国家自然科学基金、国家863和省部级研究课题。在国内外学术期刊发表论文300余篇，被SCI收录200余篇，他引7000余次；在国内外学术会议发表论文200余篇，申报国家发明专利52项，已授权25项，通过省部级鉴定成果3项，省部级科技成果奖励2项，合著2部。

第一作者简介

袁满博士

2016年进入北京化工大学材料科学与工程学院硕博连读，师从宋怀河教授，主要从事炭材料形貌结构的调控及电化学储能机理研究。

课题组介绍

本实验室主要开展先进炭材料的研究、开发与应用，包括沥青基炭材料、储能炭材料、多孔炭材料、纳米炭材料、高导热和高绝热炭基复合材料等。

现有教授4人，副教授1人，博士10人，硕士57人。承担国家自然科学基金重点和面上项目共7项，企业合作研发项目8项，在JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、AFM, AEM, ESM，Chem. Mater.、Chem. Commun.、Carbon和J.Mater.Chem.等学术期刊上发表SCI论文230余篇，致力于沥青基炭材料、纳米炭材料等先进功能炭材料的制备和应用，特别是在绿色储能领域的应用，其中中间相微球在目前锂离子电池负极领域得到了广泛的商业化应用。此外，还在离子存储机理方面进行了深入研究，为锂、钠、钾离子电池和超级电容器的电极材料研发和应用提供了理论指导。