东北师大吴兴隆教授 Small: N/O共掺杂碳材料共用的碱金属离子电池和锂金属电池- 大数跨境

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东北师大吴兴隆教授 Small: N/O共掺杂碳材料共用的碱金属离子电池和锂金属电池

科学材料站

2021-03-30

导读：该文章合成了N/O共掺杂含量为20.6%的分级多孔碳纳米管（NOPCT），在锂/钠离子电池、锂硫电池与锂金属电池中均表现出高的比容量和稳定的循环性能，并通过形貌、结构表征与第一性原理计算研究了其内在机

文章信息

N/O共掺杂碳材料共用的碱金属离子电池和锂金属电池

共同第一作者：张孝华，蒋茹，范朝英

通讯作者：吴兴隆*

单位：东北师范大学等

研究背景

随着储能领域的快速发展，二次电池已经由最初的锂离子电池拓展到了钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、锂金属电池、锂硫电池等体系。由于不同电池体系在离子半径、反应机理等方面的不同，对电极材料的要求也各有差异。这不仅大大增加了研究内容和成本，而且限制了储能体系的普遍应用。因此，探索能够适用于多种不同电池体系的通用型电极材料，具有重要的意义。

碳材料具有可循环再生、密度小、导电性好、化学性质易于调控等优点，在各类电化学储能体系（如各种碱金属离子电池、锂金属电池等）中都具有非常重要的地位和研究价值。

最近的研究表明，具有丰富表面活性位点和官能团/缺陷的无定形纳米碳材料，在锂离子电池和钠离子电池中均能表现出优异的电化学性能。而且，通过杂原子（如N，O，B，S，P等）掺杂，能够很好地调控其电子分布状态、表面吸附能力、层间距等，从而在控制锂成核与均匀沉积等方面也具有优异的表现。

文章简介

基于此，来自东北师范大学的吴兴隆教授课题组在国际知名期刊Small上发表题为“Engineering All-Purpose Amorphous Carbon Nanotubes with High N/O-Co-Doping Content to Bridge the Alkali-Ion Batteries and Li Metal Batteries”的文章。

该文章合成了N/O共掺杂含量为20.6%的分级多孔碳纳米管（NOPCT），在锂/钠离子电池、锂硫电池与锂金属电池中均表现出高的比容量和稳定的循环性能，并通过形貌、结构表征与第一性原理计算研究了其内在机理。

图1. NOPCT用作锂/钠离子电池、硫正极与锂金属负极的示意图。

本文要点

要点一：交织的分级多孔碳纳米管

采用模板法合成了交织的分级多孔碳纳米管。碳纳米管的交织排列，能促进多维度电子/离子传输，加速电化学反应动力学；中孔碳管和超薄碳壁有助于缩短电子转移路径，并提供充足的空间以容纳体积应变；膨胀的层间距有助于Li/Na离子嵌入与脱出；分级多孔性有助于电解液的充分浸润。

要点二：高含量N/O共掺杂提供丰富的官能团

通过mapping和XPS证明了NOPCT中高的N/O共掺杂含量，并产生了丰富的官能团。丰富的官能团分布，能够增加活性位点，创造无序和缺陷；调控电子分布和Li/Na亲和性；有助于改善电子导电性和Li/Na储存容量；通过化学锚固有助于抑制多硫化锂的穿梭效应；有助于实现锂金属的均匀成核与沉积。

要点三：优异的锂/钠离子电池性能

NOPCT用作锂/钠离子电池负极时，表现出优异的循环稳定性和倍率性能。在锂离子电池中，在500 mA/g电流密度下，循环450圈后，容量保留仍高达99.1%，几乎没有明显的容量衰减；在10 A/g电流密度下可逆容量仍达404.4 mAh/g。

在钠离子电池中，于500 mA/g电流密度下循环2000圈以后，容量仍达194.9 mAh/g，平均每圈容量衰减率仅为0.0084%；在5 A/g的电流密度下可逆容量仍达116.6 mAh/g。优异的锂/钠电性能可与许多先进的碳负极材料媲美。

要点四：优异的锂金属负极/硫正极性能

NOPCT用作锂金属负极与硫正极基底材料时，也表现出优异的循环稳定性。作为锂金属负极，NOPCT在对称电池中于不同电流密度下均表现出超长的循环稳定性；与Li(Ni0.33Co0.33Mn0.33)O2匹配的全电池中，也表现出稳定的循环与优异的倍率性能。在锂硫电池中表现出来的循环性能也明显优于传统的乙炔黑/硫电极，表现出更高的比容量和更长的循环寿命。

文章链接

Engineering All-Purpose Amorphous Carbon Nanotubes with High N/O-Co-Doping Content to Bridge the Alkali-Ion Batteries and Li Metal Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202006566

通讯作者介绍

吴兴隆教授，东北师范大学教授，博士生导师。

教育部“长江学者”青年学者、吉林省拔尖创新人才等；主要从事先进电池储能材料、废旧锂离子电池回收与再利用等方面的研究工作；开辟了碳材料中大尺寸阴/阳离子稳定化脱嵌新途径并阐明了相应的机制，提出并发展了高效碳基电荷传导网络构筑的新思路，开发了一系列高性能电极材料，设计了废旧锂离子电池电极材料的绿色再利用新策略。以通讯作者身份发表了研究论文110多篇；代表性高水平研究论文包括《Sci. Bull.》、《Adv. Mater.》（5篇）、《Energy Environ. Sci.》、《Adv. Energy Mater.》（5篇）、《Adv. Funct. Mater.》、《Energy Storage Mater.》（2篇）、《InfoMat》、《Nano Energy》、《Small》（3篇）和《J. Mater. Chem. A》（12篇）等；发表论文已被他人引用超过11000次，H指数为55；已获授权发明专利17项。主持了国家自然科学基金委重大研究计划培育项目和吉林省科技厅等研究课题十余项。曾获得教育部自然科学研究成果一等奖和中国科学院科技成果转化二等奖等科技奖励；培养的学生中，已有2人获得“博新计划”资助、5人获得吉林省优秀学位论文、以及30多人次获得优秀毕业生/校优秀硕博论文/国家奖学金等奖励和荣誉。