氧空位调控的巨菌草衍生B/N共掺杂碳材料用于高性能锂离子电池负极

《Sustainable Materials and Technologies》：Oxygen-vacancy-engineered B/N co-doped carbon derived from JUJUNCAO for high-performance lithium-ion battery anodes

本文报道了一种通过NaBH4还原巨菌草（JUJUNCAO）制备的氧空位（OV）富集、B/N共掺杂碳材料（CFB1:1）。该材料作为锂离子电池（LIBs）负极展现出卓越性能：在0.1 A g?1下循环600次后容量高达669.2 mAh g?1（容量保持率126%），且具有高电容贡献（78.7%）和超99%的库伦效率。研究揭示了氧空位与B/N共掺杂的协同效应可增强导电性、离子扩散及界面稳定性，为开发生物质衍生碳负极提供了绿色新策略。

　　

Highlight

本研究亮点在于利用可持续的巨菌草生物质，通过高温碳化结合NaBH₄还原策略，成功构建了具有丰富氧空位和B/N共掺杂的碳负极材料。通过精确调控NaBH₄与碳的比例（CFB_1:1），实现了缺陷密度与杂原子掺杂水平的优化，从而显著提升了锂离子存储性能。该材料展现出高可逆比容量（512.2 mAh g^?1，0.05 A g^?1）、超长循环稳定性（600次循环后容量为初始的126%）及优异的倍率性能（3000次循环后仍保持167.4 mAh g^?1）。动力学分析表明，其电荷存储机制主要由表面控制的电容过程主导，电容贡献高达78.7%，且循环过程中电荷转移电阻显著降低。氧空位与B/N共掺杂的协同作用有效增强了材料的导电性、锂离子扩散速率和电极界面稳定性。本研究不仅为生物质衍生碳材料的设计提供了绿色、可规模化的新途径，也凸显了巨菌草基碳材料在高性能锂离子电池负极中的应用潜力。

Conclusion

本研究中，我们以巨菌草茎秆粉末为可持续碳前驱体，通过高温碳化结合NaBH₄化学还原法，成功制备了富含氧空位且B/N共掺杂的碳材料。通过调控NaBH₄与碳的比例，有效优化了材料的缺陷结构与杂原子掺杂水平，从而显著改善了其电化学性能。其中，CFB_1:1复合材料在氧空位浓度、B/N掺杂量及电化学行为之间达到了最佳平衡，表现出卓越的锂离子存储容量、循环稳定性和倍率性能。动力学分析进一步证实了表面控制的电容行为在其电荷存储中的主导作用。该工作为设计高性能、可持续的锂离子电池负极材料提供了新的见解，并推动了巨菌草这一高生物量植物在能源材料领域的高值化利用。