隨著電力設(shè)備的快速發(fā)展和可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，鋰離子電池（LIBs）作為一種重要的儲(chǔ)能器件，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備的主流電源。然而，可用鋰資源的稀缺性和高價(jià)格阻礙了鋰離子電池在大規(guī)模電能存儲(chǔ)中的應(yīng)用前景。鈉離子電池（SIBs）由于成本相對(duì)較低且鈉資源豐富，是下一代電池最有前景的替代品。石墨作為鋰離子電池的商用負(fù)極，進(jìn)一步發(fā)展受到相對(duì)低的比容量的阻礙，并且較差的倍率性能限制了其更廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，石墨由于其有限的層間距離，在鈉離子電池中無法很好地表現(xiàn)。近年來，研究者們開展了大量工作，探索更多替代石墨的碳基負(fù)極材料，以獲得良好的循環(huán)性能和較大的比容量。例如，多孔碳、摻雜碳等。其中，氮摻雜碳在鋰離子電池和鈉離子電池中具有很大的潛力，因?yàn)榈獡诫s不僅可以提高碳材料的表面潤濕性，還可以通過產(chǎn)生額外的缺陷來加速電荷轉(zhuǎn)移。然而，利用含氮前體后處理等傳統(tǒng)的摻雜方法設(shè)計(jì)出氮含量高且分布均勻的碳材料仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
圖1. PTA-NHCS-T作為LIBs負(fù)極材料的電化學(xué)性能: (a) PTA-NHCS-700的循環(huán)伏安曲線; (b) PTA-NHCS-700恒流充放電曲線; (c) PTA-NHCS-T在0.1 A g-1時(shí)的循環(huán)性能; (d) PTA-NHCS-700的倍率性能; (e) PTA-NHCS-700在5 A g-1時(shí)的循環(huán)性能。 圖2. PTA-NHCS-T作為SIBs負(fù)極材料的電化學(xué)性能: (a) PTA-NHCS-700的循環(huán)伏安曲線; (b) PTA-NHCS-700恒流充放電曲線; (c) PTA-NHCS-T在0.1 A g-1時(shí)的循環(huán)性能; (d) PTA-NHCS-700的倍率性能; (e) PTA-NHCS-700在5 A g-1時(shí)的循環(huán)性能。 鑒于此，作者采用單寧酸(TA)為碳源與二乙烯三胺(DETA)設(shè)計(jì)了合理的席夫堿化學(xué)，合成了氮摻雜空心碳球(PTA-NHCS-700)。在鋰離子電池 (5A g-1循環(huán)7000次后204.2mAh g-1)和鈉離子電池(5A g-1循環(huán)10000次后154.2mAh g-1)中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。這是由于分級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的空心碳球可以縮短離子和電子的擴(kuò)散距離，有利于Li+和Na+的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。獨(dú)特的空心碳球可以緩沖PTA-NHCS-700電極在循環(huán)過程中的體積膨脹。其次，氮原子的摻雜增強(qiáng)了碳材料的正電荷密度，導(dǎo)致電負(fù)性增加，加速了電荷轉(zhuǎn)移，并引入適當(dāng)?shù)娜毕?活性位點(diǎn)，提高了贗電容行為的貢獻(xiàn)，總體上提高了碳材料的電化學(xué)性能。最后，氮摻雜碳的無序和短程石墨納米疇結(jié)構(gòu)可以改善Li+和Na+在碳材料中的插入/萃取行為，增加Li+和Na+的存儲(chǔ)容量。本研究不僅為設(shè)計(jì)具有特殊形貌、快速存儲(chǔ)的摻雜碳材料提供了一種具有商業(yè)潛力的策略，更重要的是，通過希夫堿化學(xué)的雜原子摻雜思想解決了傳統(tǒng)摻雜策略的不足，為材料雜原子摻雜提供了新思路。 論文信息 Nitrogen-Doped Hollow Carbon Spheres Based on Schiff Base Reaction as an Anode Material for High-Performance Lithium and Sodium Ion Batteries Gang Huang, Qingquan Kong, Jianhao Jiang, Prof. Weitang Yao, Prof. Qingyuan Wang ChemSusChem DOI: 10.1002/cssc.202201310
