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北化工宋懷河Small: 通用的致密碳材料多界面策略增強(qiáng)鋰/鈉離子電池性能

快速充電倍率和大容量儲能是電動汽車對鋰離子電池（LIB）的關(guān)鍵要求，開發(fā)具有高體積和重量容量且可以高速運(yùn)行的電極材料是最具挑戰(zhàn)性的問題。

鑒于此，北京化工大學(xué)宋懷河教授等人提出了一種新的通用多相界面策略，用于制備具有增強(qiáng)鋰/鈉離子電池綜合電化學(xué)性能的致密碳材料。

首先，將蔗糖、樹脂或瀝青等前驅(qū)體體溶解到氧化石墨烯（GO）溶液中形成分子級分散體。根據(jù)前驅(qū)體的不同特性，采用一定的策略快速蒸發(fā)溶劑并穩(wěn)定這種分散結(jié)構(gòu)，溶劑快速蒸發(fā)引起的毛細(xì)作用力會導(dǎo)致石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)皺縮折疊。在惰性氣體氣氛中碳化后，生成了含有豐富多界面結(jié)構(gòu)的碳/石墨烯復(fù)合材料。

作者選擇蔗糖基硬碳球（HCS）作為碳基體，并將彎曲和褶皺的石墨烯納米片嵌入到HCS中以在結(jié)晶石墨烯和無序硬碳基體之間構(gòu)建豐富的界面。在HCS形成過程中，所構(gòu)建的界面可以作為有效的通道來釋放蔗糖的熱解輕餾分，從而產(chǎn)生致密材料。

圖1. GH5-1000的儲鋰性能

研究表明，離子和電子可以快速平行地擴(kuò)散到整個碳基體的界面，從而有效地提高整體電導(dǎo)率。由于特殊的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物（GH5-1000）具有低表面積（13.3 m² g^-1）、增加的堆積密度（0.910 g cm^-3）。當(dāng)用作LIBs和鈉離子電池（SIBs）的負(fù)極材料時，GH5-1000同時顯示出高重量/體積可逆容量、高倍率性能和低溫特性，這意味著在實(shí)際LIBs和SIBs中具有巨大的應(yīng)用潛力。

此外，基于GH5-1000為負(fù)極、市售活性炭（AC）組裝的鈉離子電容器（SIC）在2 A g^-1下3000次循環(huán)后具有87.1% 的高電容保持率?；贕H5-1000組裝的鈉離子全電池重量能量密度約為452.5 Wh kg^-1，體積能量密度約為421.8 Wh L^-1。因此，這種界面工程策略將為高性能電極材料的制備提供新思路。

圖2. GH5//AC SIC的電化學(xué)性能

A General Multi-Interface Strategy toward Densified Carbon Materials with Enhanced Comprehensive Electrochemical Performance for Li/Na-Ion Batteries, Small 2022. DOI: 10.1002/smll.202105738

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