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Angew. Chem. :空間位阻策略助力鈉離子電池聚合物衍生硬炭閉孔調控2024-10-22
近年來,鈉離子電池作為可持續能源轉換技術,可緩解鋰資源緊張問題,引起了人們的極大關注。為了獲得實用的鈉離子電池,急需開發高性能的電極材料以滿足現實需求。硬炭具有豐富的缺陷、較大的層間距(>0.37 nm)和大量的納米微孔,被認為是目前最有希望商業化的鈉離子電池負極材料。

鈉離子在硬炭中的存儲一般分為斜坡區(> 0.1V)和平臺區(< 0.1V),其中平臺區儲鈉占據主導,并且依賴于硬炭閉孔結構。然而,現有聚合物衍生硬炭的閉孔數量少,呈現出較低的儲鈉容量;且有關聚合物熱解形成閉孔的機制研究較少,缺乏分子水平上的有效調控策略。

近日,華南理工大學熊訓輝教授團隊以典型的酚醛聚合物為研究對象,借助芳香環的空間位阻效應改善酚醛聚合物的自由體積和分子鏈剛性,并在后續高溫炭化中成功調控出更多硬炭閉合孔隙,實現高性能鈉離子電池。

 

 

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研究發現,通過在酚醛聚合物側鏈上接枝含芳香環的位阻基團,可有效調控了聚合物的空間分布,提高了聚合物內部的空間自由體積,有助于在酚醛樹脂炭化過程中形成更加豐富的微米級閉孔結構。

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此外,所引入的芳香基團具有較高的熱穩定溫度(400~600℃),并構建π-π堆積增強分子鏈的剛性,可在酚醛聚合物高溫炭化過程中改善炭骨架結構穩定性,減少裂解重排的次數并有效抑制碳層的過度石墨化,從而促進更多自由體積轉化為閉孔。

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基于上述空間位阻策略的調控,所制備的硬碳負極實現了較高的可逆儲鈉容量、出色的倍率性能和良好的循環穩定性。該工作是首例基于空間位阻效應揭示聚合物衍生硬炭閉孔形成機理的報道,具有一定的普適性,這為未來鈉離子電池高性能硬碳負極材料的設計提供了新的視角和方法。

文信息

Steric Hindrance Engineering to Modulate the Closed Pores Formation of Polymer-Derived Hard Carbon for High-Performance Sodium-Ion Batteries

Jianhao Lin, Qingfeng Zhou, Zhishan Liao, Yunhua Chen, Yike Liu, Qiang Liu, Xunhui Xiong

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202409906

 

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