【本期推荐】太原理工张卫珂副教授:硼氮共掺杂生物质碳球负极材料

2023~2025年虚拟专题

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本研究采用结构设计和杂原子掺杂策略成功合成了B/N共掺杂生物质碳球。掺入B和N提高了硬碳的无序度，扩大了层间距，同时形成了合适的、有利于稳定固体电解质(SEI)膜生成的C=O键。在0.05A·g^–1的电流密度下，可逆比容量为284.3 mAh·g^–1，ICE为77.0%。在2 A·g^–1下循环500圈后，比容量衰减至122.5 mAh·g^–1，容量保持率56.1%。该研究为设计和开发低成本、来源丰富和优异电化学性能的钠离子负极材料提供了新的借鉴和指导。

研究背景

钠离子电池因其成本低廉、资源丰富、安全性高等优势，正逐步应用于低速电车和大规模储能领域。硬碳是当前主流的钠离子电池负极材料，虽然具备成本低、结构和性能稳定的优势，但仍存在首次库伦效率(ICE)低和倍率性能较差的问题。因此，如何通过材料结构设计和界面调控协同优化硬碳性能，成为当前该领域亟待突破的关键科学问题。

本文亮点

本研究通过结构设计和杂原子掺杂策略成功地制备了硼氮共掺杂纳米碳球，其具有以下优点：(1)粒径较小的纳米碳球能缩短Na⁺的扩散路径。(2)硼、氮共掺杂不仅扩大了层间距，还提供了更多的储钠活性位点以及缺陷。同时，硼原子与氮原子的耦合效应可以降低钠离子的吸附能。(3)在掺杂过程中引入氧原子产生了适当含量的C=O键，有利于形成稳定的SEI膜，从而提高了ICE。

图文导读

本研究以从马铃薯淀粉加工废液中提取的马铃薯废渣为碳源，通过水热反应合成了纳米碳球，在此基础上，以尿素和四硼酸钠为掺杂源，采用球磨和碳化的方法，合成了硼氮共掺杂马铃薯基碳球。图1展现了N@NHCS-600、B@N@NHCS-900、NHCS-900的微观形貌，可以观察到每个样品的形貌均为碳球，表面较为光滑，且粒径范围约在70~200 nm之间。此外，这三个样品的形貌几乎保持一致，说明掺杂过程并未对碳球形貌产生明显的影响。

图2展现的是不同样品的电化学性能。如图2(a)所示，B@N@NHCS-900的倍率性能最为优异，其在0.05、0.1、0.2、0.5、1、2 A·g^–1电流密度下的可逆容量分别为282.3、274.8、267.1、247.1、223.3、179.4 mAh·g^–1，当电流密度恢复到0.05 mA·g^–1时，可逆容量仍可达到282.1 mAh·g^–1。图2(b)为电极材料在0.05 A·g^–1下的首圈充放电曲线。N@NHCS-600、B@N@NHCS-900和NHCS-900的首圈充电/放电比容量分别为166.1/352.8、284.3/369.2和178.2/311.1 mAh·g^–1，对应的ICE为47.1%、77.0%和57.2%。另外，放电曲线分为两个区域：平台区域(0.01~0.1 V)和斜线区域(0.1~3 V)。在平台区域，Na⁺主要插入伪石墨层和填充进入闭孔；在斜线区域，Na⁺主要吸附在碳材料的表面缺陷和活性位点。平台容量是评价负极材料的重要指标之一，在实际应用中有着重要意义。图2(c)结果表明B@N@NHCS-900的斜线区/平台区容量明显高于N@NHCS-600和NHCS-900。图2(d)为不同电极材料在0.1 A·g^–1小电流密度下的循环性能。经100圈循环后，B@N@NHCS-900、N@NHCS-600和NHCS-900的容量分别衰减到281.8、145.3和182.6 mAh·g^–1，对应的容量保持率为98.3%、96.6%和98.7%。如图2(e)所示，B@N@NHCS-900在2 A·g^–1大电流密度下循环500圈后，容量衰减至122.5 mAh·g^–1，对应的容量保持率仅为56.1%。

总结与展望

本研究通过结构设计和杂原子掺杂策略成功地制备了B/N共掺杂生物质衍生碳负极材料，实现了Na⁺快速传输和优异倍率性能。B/N共掺杂不仅降低了钠离子吸附能垒，还促进稳定SEI膜的形成，为设计和开发低成本、来源丰富和优异电化学性能的钠离子负极材料提供了新的借鉴和指导。

作者简介

通讯作者：张卫珂，太原理工大学材料科学与工程学院，副教授，硕士研究生导师。长期从事烷烃气体催化裂解制氢联产纳米碳材料，碳基电磁功能材料、储能材料等方向，发表SCI论文60余篇，授权发明专利20余项，完成成果转化3项。

第一作者：马晓佳，太原理工大学材料科学与工程学院硕士研究生(已于2025年6月毕业)，主要研究方向为钠离子电池负极材料的制备与性能优化。

期刊介绍