西北工业大学王建淦教授：自支撑碳基负极材料的储钠研究进展

锂电联盟会长 2023-06-01 10:30

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背景介绍

近年来，钠离子电池凭借着钠资源的丰富储量和成本优势得到了迅猛的发展，有望在低速电动车及大规模储能领域得到广泛的应用。对于钠离子电池而言，设计并开发出性能优异、成本低廉的电极材料是实现钠离子电池商业化的关键，以碳基材料为代表的负极材料是目前钠离子电池电极研究的热点之一。随着可穿戴电子器件的日益普及，人们对电极提出了更高的性能要求，自支撑电极由于无需使用电化学惰性的黏结剂和导电添加剂等组分，有利于提升电池体系能量密度，因此，通过合理的结构设计和组分调控构筑自支撑碳基电极对于实现负极储钠性能的提升具有重要意义。

近日，西北工业大学王建淦教授和华东理工大学张玉研究员总结了近年来钠离子电池用自支撑碳基电极材料的最新研究进展，从基底有无的角度详细综述并讨论了自支撑碳基负极的制备策略及其电化学性能，在New Carbon Materials上发表了题为“Research progress on freestanding carbon-based anodes for sodium energy storage”的综述文章。

工作简介

该综述先介绍了炭材料、合金类材料及金属化合物的储钠机理。其中，以硬碳为代表的碳质材料的储钠行为主要包括钠离子的吸附、插层和填孔，它们与硬碳材料储钠充放电曲线的对应关系目前仍存较大争议，如“插层-填孔”、“吸附-插层”、“吸附-填孔”和“吸附-插层-填孔”机制等；合金类材料和金属化合物则分别通过与钠离子发生合金化反应及多电子反应实现储钠，这两类材料常具有较高的比容量，但体积膨胀和导电率低制约着其广泛应用。因此，通过与碳质材料的复合是缓解上述问题的有效策略之一。

储钠机理示意图

随后，该综述先后从无基底和有基底的角度讨论了自支撑碳基负极的制备策略及其电化学性能。无基底的自支撑电极主要包括碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯及其复合材料。静电纺丝是常用于制备碳纳米纤维的技术，该方法不仅可以通过调节前驱体的成分和类别直接获得自支撑的硬碳材料（如杂原子掺杂、多孔炭纤维等），还可以加入一些金属化合物或合金类材料（如FeP、CoTe、Sn等）来构筑碳基复合电极，在保留自支撑结构的同时提升电极的储钠容量。碳纳米管和石墨烯由于具有优异的机械强度，也是构筑自支撑电极的理想材料，例如通过真空抽滤或冷冻干燥的方式可以实现其与活性材料的组装，并表现出快速稳定的储钠性能。

区别于无基底电极，有基底的自支撑电极多是在选定的碳基底或金属基底上沉积或生长高容量的活性材料，这些基底主要包括炭布、炭纸、生物质衍生炭及泡沫金属等材料。炭布和炭纸具有固有的柔性及结构稳定性，是活性物质生长的优良载体。例如，一些纳米阵列可以通过化学键实现与碳基底的稳定结合，表现出优异的循环性能。具有纤维结构及丰富官能团的生物质材料不仅可以单独衍生为自支撑硬碳电极，也可作为基底与一些金属化合物复合，共同作为储钠电极。此外，金属材料具有优良的导电性且可以促进炭材料的生长，因而金属泡沫也是目前构筑自支撑电极的理想基底。

图文摘要

最后，该综述总结对比了上述两类构筑自支撑电极策略的电化学性能，分析了各自结构的优势，并从新型电极构筑技术、柔性电极设计以及系统性能评价3个方面对未来自支撑碳基负极的研究前景进行了展望。

论文信息：

HOU Zhi-dong, GAO Yu-yang, ZHANG Yu, WANG Jian-Gan. Research progress on freestanding carbon-based anodes for sodium energy storage. New Carbon Mater., 2023, 38(2): 230-246.

侯志栋, 高语阳, 张玉, 王建淦. 自支撑碳基负极材料的储钠研究进展. 新型炭材料（中英文）, 2023, 38(2): 230-246.

作者介绍

王建淦，西北工业大学教授，博士生导师，省双创领军人才，省青年科技新星，香江学者。博士毕业于清华大学材料科学与工程系。主要从事先进电化学能量存储材料与器件（锂/钠/锌二次电池、超级电容器）的设计构筑及其应用研究。迄今在Energy Environ. Sci., Prog. Mater. Sci, Mater. Today, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater.等国际高水平刊物上发表论文120余篇，论文引用8000余次，h指数50。

张玉，华东理工大学特聘研究员，博士生导师，长期从事新能源材料与器件领域，重点围绕电化学能源存储与转化方向的关键材料与器件设计方向开展研究。近年来，共发表SCI论文70余篇，其中以第一作者/通讯作者身份发表论文30余篇，包括Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等，引用5500余次，h指数33。

来源：新型碳材料

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