【论文链接】
https://doi.org/10.1039/d5ee00104h
【作者单位】
福州大学
【论文摘要】
具有丰阐明硬碳的微观结构对于揭示钠储存机制和构建最先进的钠离子电池硬碳阳极至关重要。在了解结晶过程和逆向材料设计原理的指导下，我们设计了具有不同局部碎片的硬碳阳极，从商业化的角度了解硬碳和钠储存行为的相关微观结构。硬碳从斜坡型到板状的钠化转变是通过一系列局部结构重排实现的，包括层间距离、石墨畴的平均晶粒宽度和缺陷密度。我们发现，平台容量的增加主要与石墨畴控制从临界层间距离到平均晶粒宽度的转变有关，并受到硬碳闭孔体积的限制。在钠化过程中，斜坡区NaF和Na2O的形成，以及高原区Na2O2和NaO2的形成，总是伴随着Na2CO3的产生。
这项工作为理解硬碳阳极中的钠储存行为提供了见解，并定义了从斜坡到平台型硬碳的一般结构设计原则。
【实验方法】
材料制备：
硬碳通过不同温度梯度方案合成。具体而言，采用来自杨树的木质前体（购自www.taoobao.com），在氩气环境下，分别在800°C、1300°C、1500°C和1900°C（5°C/min）下稳定温度梯度3小时，这使得可以确定结构信息并跟踪形成机制。受到服装尺码的启发，我们按顺序命名了微观结构参数，包括：（ⅰ）大d002（dl）、大缺陷密度（Dl）和小层厚（La）（Ls）；（ⅱ）中等d002（dm）、中等缺陷密度（Dm）和中等层厚（La）（Lm）；（ⅲ）小d002（ds）、小缺陷密度（Ds）和大层厚（La）（Ll）；（ⅳ）超小d002（dxs）、超小缺陷密度（Dxs）和超大层厚（La）（Lxl），并分别对应于所制备的硬碳样品dlDlLs、dmDmLm、dsDsLl和dxsDxsLxl。为了获得对照样品，木质前体在氩气环境下以5°C/min的速率在500°C下稳定3小时，得到超大d002（dxl）、超大缺陷密度（Dxl）和超小层厚（La）（Lxs），记作dxlDxlLx。
【图文摘取】
【主要结论】
本文通过对硬碳充放电过程的基本理解，系统地探索了局部结构在钠离子储存行为中的作用。通过了解硬碳制备过程中的结晶过程，我们定义了逆材料设计原则，将斜坡型钠离子存储推向平台型钠离子储存。
（1），由于石墨畴的有限尺寸导致了独特的空间排列，打开类石墨层之间的层间距离会导致在低电压下热力学上有利的钠嵌入，而钠离子在缺陷上的储存通常归因于高电压。
（2）因此，通过最小化缺陷浓度，可以显著降低斜率容量，而这里的平台容量是由石墨畴的几何特性（即石墨畴的平均晶粒宽度和闭孔体积）定义的。
（3）特别是钠的储存行为存在明显差异；NaF和Na2O在斜坡区产生，而Na2O2和NaO2在高原区产生，Na2CO3在钠化过程中始终存在。
这项工作还强调了硬碳高原地区基本局部结构与钠储存之间的关联，为SIB高能量密度下硬碳阳极的超高高原容量设计铺平了道路。
文章来源：钠时代
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