规避自我扩散现象有助于实现高产率的硬碳阳极制备

《Advanced Materials》：Circumventing Self-Diffusion Enables High-Rate Hard Carbon Anodes

钠离子电池负极材料硬碳存在低电位区（<0.1V）钠离子扩散动力学缓慢的问题，通过原位/ ex situ表征和第一性原理计算发现，金属团簇的自扩散是主要瓶颈。研究设计出各向异性石墨烯纳米带嵌入无定形碳基体的异质结构，将钠离子扩散路径从慢速的金属团簇自扩散转向快速石墨烯层间通道，显著降低低电位区扩散势垒。优化后的硬碳在常规酯电解液中展现出386 mAh g-1的高容量、312 mAh g-1的200 mA g-1倍率性能及98%的长循环稳定性，其能量密度和功率密度超越锂离子电池石墨负极。该成果揭示了硬碳高倍率应用的机制，为先进钠离子电池开发提供新思路。

　　

摘要

硬碳（HCs）作为钠离子电池（SIBs）的阳极材料具有巨大潜力，但其应用面临一个关键挑战：在低电位区域（<0.1 V）内，动力学过程极其缓慢，严重限制了电池的快速充电能力，而这一限制的根源至今尚未明确。本研究通过结合第一性原理计算和原位/非原位表征技术，揭示了金属簇内部钠离子自扩散缓慢是硬碳性能受限的根本原因。通过合理设计一种异质结构——将长程各向异性的石墨纳米带原位嵌入到各向同性的非晶碳基体中——钠离子的扩散路径从缓慢的金属簇内扩散转变为通过扩展的石墨层间的快速传输，从而有效克服了低电位下的扩散障碍。优化后的硬碳材料在传统酯类电解液中表现出优异的性能：高可逆容量（20 mA g^?1时为386 mAh g^?1）、出色的倍率性能（200 mA g^?1时为312 mAh g^?1）以及良好的长期循环稳定性（1000次循环后仍保持98%的容量）。其能量密度和功率密度均超过了目前锂离子电池中使用的石墨材料。这些发现为高性能硬碳在钠离子电池中的应用提供了重要的理论基础。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据获取说明

本研究支持的数据可应合理要求向通讯作者索取。