中空碳材料用于钠离子电池负极的研究进展

doi:10.7503/cjcu20220620

摘要/Abstract

摘要：

实现钠离子电池等储能设备的大规模应用对于能源的可持续发展以及完成“碳达峰碳中和”目标具有重要意义. 开发高性能的负极材料可提升钠离子电池的能量密度和循环稳定性, 是实现钠离子电池大规模应用的关键性因素.中空碳材料因其独特的结构而具有优异的倍率性能与循环稳定性, 作为钠离子负极材料具有广阔的应用前景. 本文从多角度出发, 综合评述了中空碳材料的合成方法, 以及其形貌、杂原子修饰策略与储钠性能之间的关系, 并对其未来发展方向进行了展望.

关键词: 中空碳材料, 钠离子电池, 负极材料, 倍率性能, 循环稳定性

Abstract:

Achieving the large-scale application of energy storage devices such as sodium-ion batteries（SIBs）， is a great significance for the sustainable development of energy and the achievement of the goal of “peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality”. The key factor of the large-scale application of SIBs is developing high-performance anode materials with improved energy density， rate performance and cycle stability. Hollow carbon materials（HCMs） has a wide application prospect as anode for SIBs due to its excellent rate performance and cycle stability caused by unique structure. Herein， this review summarizes the synthetic methods of HCMs and the relationship between their morphology， heteroatom modification strategy and sodium storage properties comprehensively， and looks into the future development of HCM.

Key words: Hollow carbon material, Sodium-ion battery, Anode material, Rate performance, Cycle stability

中图分类号:

O613

TrendMD:

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图/表 11

Fig.1 Schematic illustration of the in⁃situ Stöber templating of HMCS(A), TEM images of HMCS30⁃2.5(B), HMCS30⁃5(C), HMCS40⁃5(D) and HMCS50⁃5(E)[46]

Fig.3 Scheme of formation process(A), SEM(B) and TEM images(C) of N⁃HCSs[68]

Fig.4 Advantages/disadvantages of these three synthetic methods for HCNsThe blue， black and red line are responding to hard⁃template method， soft⁃template method and self⁃template method， respectively.

Fig.5 Charge/discharge curves(A), cycle performance(B) of the HCNW at 50 mA/g, rate capabilities of the HCNW(C) and relationship between theoretical energy cost for Li/Na ions insertion into carbon and the interlayer distance of carbon(D)[74]Inset of (A): the morphology of the HCNW. Copyright 2012, American Chemical Society.

Fig.7 TEM and HRTEM(inset) images of hollow carbon nanospheres(HCNs)(A), rate performance at variant rates and schemes of the electrochemical reaction process(inset) of HCNs and carbon spheres(CSs)(B), cycle performance of HCNs(C)[79]Copyright 2012, Wiley⁃VCH.

Fig.8 Schematic illustration of the synthesis route for MS⁃HCNs(A), TEM images of HCNs with different shell structures(B), the first discharge⁃charge profiles(C) and rate capabilities(D) of MS⁃HCNs, cyclability of 4S⁃HCNs and the solid carbon nanospheres at 30 mA/g(E)[81]Copyright 2018， Wiley⁃VCH.

Fig.9 TEM image of SNMHCSs(A), STEM and EDS mapping images of SNMHCSs(scale bar: 100 nm)(B), XRD patterns of SNMHCSs, NMHCSs and MHCSs(C) rate performances of SNMHCSs, NMHCSs and MHCSs(D), cycling performance of SNMHCSs electrode at 20 A/g(E)[88]Copyright 2019, Wiley⁃VCH.

Fig.10 SEM images of the prepared FPCC(A, B1), EDS mapping images of FPCC(B2—B4), charge⁃discharge curves(C), rate capabilities(D) and long⁃term cycling performance of FPCC and UCC(E), GITT profiles and the calculated D values of FPCC(F) and UCC electrodes(G)[104]Copyright 2017， American Chemical Society.

Table 1 Electrochemical performance of HCMs as anode for SIBs

Material	Reversible capacity	Initial coulombic efficiency（%）	Rate capability	Cycling performance		Ref.
Material	Reversible capacity	Initial coulombic efficiency（%）	Rate capability	Reversible capacity	Cycle	Ref.
DHCS	212.9 mA·h/g at 0.6 A/g	37	113 mA·h/g at 6 A/g	143.6 mA·h/g at 0.6 A/g	1000	［47］
HPSC⁃1400	411.1 mA·h/g at 0.02 A/g	81.20	104.1 mA·h/g at 0.5 A/g	287.5 mA·h/g at 0.1 A/g	400	［80］
GLSP⁃SP⁃2⁃800⁃2	311.5 mA·h/g at 0.1 A/g	—	125 mA·h/g at 5 A/g	111.1 mA·h/g at 5 A/g	5000	［84］
NHCS	—	—	114 mA·h/g at 10 A/g	163 mA·h/g at 0.5 A/g	1200	［97］
S⁃NCNFs	336.2 mA·h/g at 0.05 A/g	—	132 mA·h/g at 10 A/g	187 mA·h/g at 2 A/g	2000	［99］
P⁃HCNs03	330 mA·h/g at 0.1 A/g	73	252 mA·h/g at 2 A/g	260 mA·h/g at 1 A/g	500	［101］
NPC	333.6 mA·h/g at 0.1 A/g	—	172 mA·h/g at 10 A/g	180.3 mA·h/g at 5 A/g	3000	［103］
FPCC	242.4 mA·h/g at 0.05 A/g	ca. 72	123.1 mA·h/g at 1 A/g	ca. 88% at 0.2 A/g	600	［104］
N/O⁃CNCs⁃600	330 mA·h/g at 0.1 A/g	—	70 mA·h/g at 20 A/g	ca. 150 mA·h/g at 5 A/g	10000	［105］
N⁃CNF	564 mA·h/g at 0.1 A/g	35.47	154 mA·h/g at 15 A/g	210 mA·h/g at 5 A/g	7000	［106］
HPCO	290 mA·h/g at 0.1 A/g	88.60	130 mA·h/g at 30 A/g	ca. 190 mA·h/g at 1 A/g	1000	［107］
CC700	320.6 mA·h/g at 0.05 A/g	48.01	120.6 mA·h/g at 1 A/g	105 mA·h/g at 1A/g	8000	［108］
3DHPCMs⁃800	287.5 mA·h/g at 0.1 A/g	41.90	112.5 mA·h/g at 5 A/g	313.8 mA·h/g at 0.1 A/g	100	［109］
NNSC	311 mA·h/g at 0.1 A/g	20.5	61 mA·h/g at 5 A/g	ca. 105 mA·h/g at 1 A/g	9000	［110］
CNT/SNCF	370.8 mA·h/g at 0.1 A/g	49.10	109.3 mA·h/g at 10 A/g	150.4 mA·h/g at 5 A/g	1000	［111］
SN⁃HCS	250 mA·h/g at 0.1 A/g	—	110 mA·h/g at 10 A/g	169 mA·h/g at 0.5 A/g	2000	［112］
N/S/P⁃HCMT	302 mA·h/g at 0.1 A/g	70	201mA·h/g at 1 A/g	301 mA·h/g at 0.1 A/g	100	［113］

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