刘勇教授课题组实现高首次库伦效率的钠离子电池硬碳负极材料

       刘勇教授课题组最近在钠离子电池硬硕负极材料研究中取得重要进展，相关成果发表在国际著名学术刊物Advanced Energy Materials（SCI影响因子21.875）。

由于锂资源的稀缺，锂离子电池的大规模应用受到资源短缺、成本升高和可持续性发展的限制。钠离子电池因具有钠资源丰富和成本低廉等优点在大规模储能应用中(如可再生能源储能和智能电网)受到人们的广泛关注。但由于钠离子相对于锂离子半径大和钠-石墨结合能等问题，传统的锂离子电池所使用的石墨负极材料在钠离子电池中几乎没有可逆嵌钠容量。硬碳材料具有原材料资源丰富、成本低廉、导电性能好、环境友好和较高的比容量等优点，是一种极具潜力的钠离子电池负极材料，但由于其首次充放电过程中库伦效率低导致全电池整体容量的大幅度降低，而限制了其产业化的应用进程。硬碳材料是指难以石墨化的碳(在3000℃以上的高温也难以石墨化)，由大量短小无序、不规则片层构成的类石墨微晶(pseudographitic domains) (尺寸小于2 nm)无序堆叠而成，并具有大量的微孔和缺陷。钠离子在首次嵌入类石墨微晶和缺陷后会出现不可逆脱嵌，从而导致首次库伦效率损失。

       最近，刘勇教授课题组的赵迅硕士生以外加石墨作为晶体诱导生长的模板，用鸡蛋膜和蔗糖分别作为前驱体，发展了一种低温（1300 ℃）制备含有纳米石墨晶体及高度有序结构准石墨微晶的硬碳材料通用方法。生成的纳米石墨晶体促使附近的准石墨微晶尺寸增加，碳片层结构更加高度有序，缺陷减小，从而提高了钠离子电池的首次库伦效率。用碳化后的蛋壳膜和蔗糖分别作为钠离子电池负极，获得的首次库伦效率分别达到89%和91%，可逆比容量分别为310和301 mA h/g，接近锂离子电池石墨负极的比容量。利用外加石墨低温促成硬碳前驱体生长出纳米石墨晶体，一方面突破了传统硬碳前驱体无法低温石墨化的限制，另一方面解决了钠离子电池硬碳负极首次库伦效率低的问题，对于其产业化推进具有重要的意义。

        相关成果以“Low-Temperature Growth of Hard Carbon with Graphite Crystal for Sodium-Ion Storage with High Initial Coulombic Efficiency: A General Method为题发表在Advanced Energy Material（论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201803648），赵迅硕士生为第一作者，于肖副研究员和刘勇教授为通讯作者，学院本科生丁元和许祺也参与了研究工作。审稿人对论文给予了很高的学术评价，“Overall this is a pretty interesting study, quite a novel approach with clean experimental methods. The referee has no trouble believing the experimental findings. The fact that contact with graphite can promote improved CE in non-graphitic carbons is a very useful finding for the community…”；“This is a nice paper on the effect of graphite in hard carbon materials for sodium ion battery application. The synthetic approach is new. The electrochemical properties are very reasonable…”。

       本研究得到国家自然科学基金和光电材料与技术国家重点实验室的大力支持！