文章資訊
N/O共摻雜碳材料共用的鹼金屬離子電池和鋰金屬電池
共同第一作者：張孝華，蔣茹，範朝英
通訊作者：吳興隆*
單位：東北師範大學 等
研究背景
隨著儲能領域的快速發展，二次電池已經由最初的鋰離子電池拓展到了鈉離子電池、鉀離子電池、鋅離子電池、鋰金屬電池、鋰硫電池等體系。由於不同電池體系在離子半徑、反應機理等方面的不同，對電極材料的要求也各有差異。這不僅大大增加了研究內容和成本，而且限制了儲能體系的普遍應用。因此，探索能夠適用於多種不同電池體系的通用型電極材料，具有重要的意義。
碳材料具有可迴圈再生、密度小、導電性好、化學性質易於調控等優點，在各類電化學儲能體系（如各種鹼金屬離子電池、鋰金屬電池等）中都具有非常重要的地位和研究價值。
最近的研究表明，具有豐富表面活性位點和官能團/缺陷的無定形奈米碳材料，在鋰離子電池和鈉離子電池中均能表現出優異的電化學效能。而且，透過雜原子（如N，O，B，S，P等）摻雜，能夠很好地調控其電子分佈狀態、表面吸附能力、層間距等，從而在控制鋰成核與均勻沉積等方面也具有優異的表現。
文章簡介
基於此，來自東北師範大學的吳興隆教授課題組在國際知名期刊Small上發表題為“Engineering All-Purpose Amorphous Carbon Nanotubes with High N/O-Co-Doping Content to Bridge the Alkali-Ion Batteries and Li Metal Batteries”的文章。
該文章合成了N/O共摻雜含量為20。6%的分級多孔碳奈米管（NOPCT），在鋰/鈉離子電池、鋰硫電池與鋰金屬電池中均表現出高的比容量和穩定的迴圈效能，並透過形貌、結構表徵與第一性原理計算研究了其內在機理。
圖1。 NOPCT用作鋰/鈉離子電池、硫正極與鋰金屬負極的示意圖。
本文要點
要點一：交織的分級多孔碳奈米管
採用模板法合成了交織的分級多孔碳奈米管。碳奈米管的交織排列，能促進多維度電子/離子傳輸，加速電化學反應動力學；中孔碳管和超薄碳壁有助於縮短電子轉移路徑，並提供充足的空間以容納體積應變；膨脹的層間距有助於Li/Na離子嵌入與脫出；分級多孔性有助於電解液的充分浸潤。
要點二：高含量N/O共摻雜提供豐富的官能團
透過mapping和XPS證明了NOPCT中高的N/O共摻雜含量，併產生了豐富的官能團。豐富的官能團分佈，能夠增加活性位點，創造無序和缺陷；調控電子分佈和Li/Na親和性；有助於改善電子導電性和Li/Na儲存容量；透過化學錨固有助於抑制多硫化鋰的穿梭效應；有助於實現鋰金屬的均勻成核與沉積。
要點三：優異的鋰/鈉離子電池效能
NOPCT用作鋰/鈉離子電池負極時，表現出優異的迴圈穩定性和倍率效能。在鋰離子電池中，在500 mA/g電流密度下，迴圈450圈後，容量保留仍高達99。1%，幾乎沒有明顯的容量衰減；在10 A/g電流密度下可逆容量仍達404。4 mAh/g。
在鈉離子電池中，於500 mA/g電流密度下迴圈2000圈以後，容量仍達194。9 mAh/g，平均每圈容量衰減率僅為0。0084%；在5 A/g的電流密度下可逆容量仍達116。6 mAh/g。優異的鋰/鈉電效能可與許多先進的碳負極材料媲美。
要點四：優異的鋰金屬負極/硫正極效能
NOPCT用作鋰金屬負極與硫正極基底材料時，也表現出優異的迴圈穩定性。作為鋰金屬負極，NOPCT在對稱電池中於不同電流密度下均表現出超長的迴圈穩定性；與Li（Ni0。33Co0。33Mn0。33）O2匹配的全電池中，也表現出穩定的迴圈與優異的倍率效能。在鋰硫電池中表現出來的迴圈效能也明顯優於傳統的乙炔黑/硫電極，表現出更高的比容量和更長的迴圈壽命。
文章連結
Engineering All-Purpose Amorphous Carbon Nanotubes with High N/O-Co-Doping Content to Bridge the Alkali-Ion Batteries and Li Metal Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202006566
通訊作者介紹
吳興隆 教授，東北師範大學教授，博士生導師。
教育部“長江學者”青年學者、吉林省拔尖創新人才等；主要從事先進電池儲能材料、廢舊鋰離子電池回收與再利用等方面的研究工作；開闢了碳材料中大尺寸陰/陽離子穩定化脫嵌新途徑並闡明瞭相應的機制，提出並發展了高效碳基電荷傳導網路構築的新思路，開發了一系列高效能電極材料，設計了廢舊鋰離子電池電極材料的綠色再利用新策略。以通訊作者身份發表了研究論文110多篇；代表性高水平研究論文包括《Sci。 Bull。》、《Adv。 Mater。》（5篇）、《Energy Environ。 Sci。》、《Adv。 Energy Mater。》（5篇）、《Adv。 Funct。 Mater。》、《Energy Storage Mater。》（2篇）、《InfoMat》、《Nano Energy》、《Small》（3篇）和《J。 Mater。 Chem。 A》（12篇）等；發表論文已被他人引用超過11000次，H指數為55；已獲授權發明專利17項。主持了國家自然科學基金委重大研究計劃培育專案和吉林省科技廳等研究課題十餘項。曾獲得教育部自然科學研究成果一等獎和中國科學院科技成果轉化二等獎等科技獎勵；培養的學生中，已有2人獲得“博新計劃”資助、5人獲得吉林省優秀學位論文、以及30多人次獲得優秀畢業生/校優秀碩博論文/國家獎學金等獎勵和榮譽。
本文來源：科學材料站
