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论文赏析‖东南大学吴宇平课题组 Advanced materials

江苏东华分析仪器有限公司

2025-05-09

导读：本论文设计了一种富缺陷超薄碳纳米片(HDCS)负极，其具有强烈的Na+自吸附行为。放电过程中，高电压区首先形成小的六方晶系准钠金属团簇，然后在低电压区转变为较大的斜方晶系准钠金属团簇。

文章简介

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202410673

课题组：东南大学能源与环境学院吴宇平课题组

研究亮点

本论文设计了一种富缺陷超薄碳纳米片(HDCS)负极，其具有强烈的Na+自吸附行为。放电过程中，高电压区首先形成小的六方晶系准钠金属团簇，然后在低电压区转变为较大的斜方晶系准钠金属团簇。独特的储钠机制使其具有优异的性能：HDCS-8负极具有364mAhg^-1的高可逆容量，同时在1.0Ag⁻¹下循环1000次后容量保持100%，并在5.0Ag^-1大电流密度下循环600次后容量仍保持94%。这种独特的准钠金属团簇吸附和晶系转化机制有助于未来开发具有长寿命和高容量的碳质负极材料，为钠存储提供了一个有前景的发展方向。

图1：HDCS-8的合成以及表征。a）原理图

测试方法

该作者使用江苏东华分析仪器公司的电化学工作站DH7006B，进行了电化学阻抗测试（EIS），循环扫描伏安法（CV）测试，GITT测试等三种测试方法。测试时组装成CR2032的纽扣电池进行测试

EIS参数：振幅为5mV，频率从0.01Hz～100KHz。

CV参数：扫描电压区间为0～3V，扫速为0.1mv s⁻¹～2mvs⁻¹。

测试结果

电化学阻抗谱测试（EIS）

图2a为不同材料的电化学阻抗谱结果。通常，低频区观察到的半圆直径代表Rct，而直线的斜率反映碳材料内部Na+的扩散。如图2a，b观察到HDCS-8在低频和高频区域的半圆直径和直线斜率都最大。这表明HDCS-8材料的表面和内部扩散动力学快。

图2：不同材料的a)电化学阻抗谱，b) Zre和𝜔^−1/2

GITT测试

图3为采用GITT方法计算的一系列材料的离子扩散系数。硬碳的离子扩散较慢，软碳的离子扩散较快。HDCS的Na+扩散与软碳相当。由图可知，D-GA负极的Na+扩散速率在0.2 V以下的平台区快速下降，而PTCDA和HDCS阳极的离子扩散速率在斜坡区工作时不会迅速下降。这是由于硬碳主要填充空穴，而软碳通常在低压区嵌入Na+，所以与插层型钠储存相关的软碳的动力学优于吸附填充型硬碳，表明HDCS-8负极具有优异的速率性能。

图3：采用GITT方法计算的一系列材料的离子扩散系数

循环扫描伏安法（CV）

图4 d为不同扫描速率下HDCS-8的CV曲线，图4 e为不同扫速下的赝电容贡献。2mvs⁻¹扫速下，赝电容贡增加到94%，这表明表面吸附在钠储存中起主导作用，与上述结果一致。

图4：d为不同扫描速率下HDCS-8的CV曲线，e为不同扫速下的赝电容贡献

结论

HDCS-8负极中独特的钠存储机制，展示出卓越的性能，具有高可逆容量364 mAhg⁻¹，并在1.0Ag⁻¹下经过1000个循环后容量保持率达到100%。在放电过程中，较高电压下形成了小的六角体系类钠金属簇，而在较低电压下这些簇转变为更大的正交体系类钠金属簇。HDCS-8负极这种独特的类钠金属簇吸附和晶体系统转变机制为钠存储提供了一个有前景的发展方向，有助于未来开发具有长寿命和高容量的碳质负极材料。

课题组简介

吴宇平东南大学能源与环境学院教授，博士生导师。

1997年获中国科学院化学研究所高分子化学与物理专业博士学位。此后在清华大学、日本早稻田大学和德国开姆尼兹工业大学（洪堡学者）工作各两年时间，2003年引进到复旦大学，2015年到南京工业大学任职，2021年到东南大学工作。主要开展能源科学与技术领域的研究和开发工作，包括锂离子电池及其关键材料、水溶液电池体系、超级电容器和太阳能制氢等。承担国家重点研发项目、国际合作项目、国家自然科学基金重点项目等。在国内外刊物上发表了400余篇文章，H-指数大于106+。出版中英文著作9本、译著1本和10章节英文；授权中国、美国、日本发明专利31项。2014年获国家自然科学基金委杰出青年基金的资助，2015年被Thomson Reuters从全球高被引用科学家中评选为最具影响力的科研菁英；2021年遴选为英国皇家化学会会士，2022年入选德国萨克森科学与人文学院通讯院士。