近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孫克寧團(tuán)隊(duì)在高倍率、長循環(huán)鈉離子電池負(fù)極研究方面取得新的研究進(jìn)展。通過構(gòu)建介孔中空結(jié)構(gòu)并采用雜原子調(diào)控碳層間距，獲得了具有較高倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性的碳負(fù)極材料。該研究成果以《Heteroatom-Doped Mesoporous Hollow Carbon Spheres for Fast Sodium Storage with an Ultralong Cycle Life》為題在線發(fā)表在國際能源類頂級期刊《Advanced Energy Materials》（《先進(jìn)能源材料》，影響因子21.8）。本文的通訊作者為孫克寧教授及孫旺特別副研究員，第一作者為北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生倪丹。

鈉離子電池與鋰離子電池相比具有資源豐富，價(jià)格低廉的優(yōu)勢，可以作為新一代儲(chǔ)能電池。考慮到儲(chǔ)能電池應(yīng)用環(huán)境中可再生能源的間歇性及波動(dòng)性，以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，開發(fā)高倍率、長循環(huán)性能的電極材料是鈉離子電池應(yīng)用中亟待解決的問題。碳負(fù)極材料由于其低成本及環(huán)境友好性，有較高的商業(yè)化前景。然而，在充放電過程中，由于鈉離子的離子半徑較大，會(huì)造成離子擴(kuò)散速率緩慢，還會(huì)產(chǎn)生較大的電極體積變化，導(dǎo)致電池的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性差，制約了碳材料的實(shí)際應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的高倍率、長循環(huán)性能，需要碳電極材料具有快速的電子與離子傳導(dǎo)能力，并保證充放電后電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；為了半徑較大的鈉離子快速擴(kuò)散，需要對碳層間距進(jìn)行調(diào)控。

基于以上材料設(shè)計(jì)思路，孫克寧團(tuán)隊(duì)基于聚多巴胺表面涂覆技術(shù)及雜原子摻雜碳結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，制備了鈉離子電池負(fù)極材料——硫氮共摻雜的介孔中空碳球（SN-MHCSs），并對其儲(chǔ)鈉機(jī)制及循環(huán)后碳結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分析。該研究表明：1.薄壁中空球形結(jié)構(gòu)，有利于離子和電子傳導(dǎo)，能夠緩沖充放電過程中的體積變化，碳球表面的介孔結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)電解液的擴(kuò)散及碳球內(nèi)表面的利用，較高的比表面積可以確保表面電容過程控制的快速鈉儲(chǔ)存。2.雜原子摻雜，能夠增大碳層層間距，促進(jìn)鈉離子的擴(kuò)散及存儲(chǔ)，增加電子導(dǎo)電性，提升容量。3.循環(huán)過程中，鈉離子的嵌入脫出能夠擴(kuò)大碳層間距，使碳層排布更加整齊，促進(jìn)鈉離子及電子的傳輸，帶來循環(huán)后電極容量上升。

本研究為高倍率、長循環(huán)鈉離子電池負(fù)極材料的發(fā)展提供了新思路，這種結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用于其他需要快速電子/離子傳輸、長期循環(huán)穩(wěn)定性的能源體系中。