N,P掺杂生物质碳微球限域非晶态Sb的伽伐尼置换合成及其增强的钠存储性能

针对钠离子电池(SIBs)合金型负极材料容量衰减严重的问题，研究人员通过原位伽伐尼置换反应将非晶态Sb限域于N,O,P掺杂生物质碳微球(Sb@BCM)，构建稳定的Sb-O-C键界面。该材料在5.0 A g?1下展现210.0 mAh g?1的高倍率性能，并在1.0 A g?1循环1000次后仍保持171.1 mAh g?1容量，为高性能Sb基负极设计提供了新思路。

　　

随着便携式电子设备和电动汽车市场的爆发式增长，锂离子电池(LIBs)面临锂资源短缺和成本攀升的严峻挑战。钠离子电池(SIBs)因其资源丰富和成本低廉被视为大规模储能的新选择，但钠离子较大的半径(1.02 ?)导致传统石墨负极难以有效储钠。合金型锑(Sb)负极虽具有660 mAh g^?1的理论容量，但在充放电过程中390%的体积膨胀会引发电极结构崩塌。如何通过精巧的界面设计实现Sb负极的稳定循环，成为当前研究的关键瓶颈。

中国石油大学（华东）的Wenpei Kang团队在《Applied Surface Science》发表研究，创新性地采用海洋红藻（紫菜）为碳源，通过水热-碳化法制备镍纳米颗粒嵌入的碳微球(Ni@BCM)，再通过原位伽伐尼置换反应将非晶态Sb限域于N,O,P掺杂的碳基质中。该工作通过同步辐射X射线吸收谱证实了Sb-O-C键的形成，这种强界面相互作用不仅稳定了Sb物种，还显著提升了电荷传输效率。

关键技术包括：1) 以紫菜为前驱体的水热-碳化法制备Ni@BCM；2) 伽伐尼置换反应调控Sb负载量；3) 非原位X射线衍射(XRD)解析合金化反应机制；4) 电化学动力学分析量化赝电容贡献。

【Results and discussion】

1. 结构表征：透射电镜显示Sb@BCM-3中Sb以5-10 nm非晶态颗粒均匀分散，X射线光电子能谱(XPS)证实Sb³⁺与碳基质的化学键合。
2. 电化学性能：在醚类电解液中，优化后的Sb@BCM-3在0.1 A g^?1循环500次后容量保持321.0 mAh g^?1，其赝电容贡献占比达78.6%。
3. 机理研究：非原位XRD证实可逆的Na₃Sb合金化反应，同步辐射表明Sb-O-C键在循环后仍保持稳定。

【Conclusion】
该研究开创性地利用生物质碳的天然杂原子优势，通过伽伐尼置换构建了强界面结合的Sb@BCM复合材料。稳定的Sb-O-C键和N,O,P共掺杂碳骨架协同作用：一方面Sb-O-C键抑制了Sb颗粒聚集，另一方面三维碳网络有效缓冲体积膨胀。与Na₃V₂(PO₄)₃@C正极组装的全电池在0.1 A g^?1下展现121.2 mAh g^?1的实用化容量，为开发低成本、高性能SIBs负极提供了新范式。