青島能源所碳基材料與能源應(yīng)用研究組研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)石墨炔碳材料進(jìn)行分子設(shè)計(jì)控制炔鍵的數(shù)目，增加更多的儲(chǔ)鈉位點(diǎn)和傳輸通道，進(jìn)而制備出具有更好電化學(xué)表現(xiàn)的儲(chǔ)鈉材料，其優(yōu)異的比容量和超長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性表明石墨炔類碳材料在儲(chǔ)能方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
由于鈉元素在全球含量豐富且廉價(jià)易得，鈉離子電池和電容器的成本相較于鋰離子電池顯著降低，特別是對(duì)于大型儲(chǔ)能裝置，鈉離子電池和電容器更兼具可持續(xù)性的優(yōu)勢(shì)，因此，鈉離子電池的研究迅速引起了全世界科研工作者們的廣泛關(guān)注。然而商用石墨作為鈉離子電池和電容器的負(fù)極材料所能夠提供的比容量太低，嚴(yán)重制約了鈉離子電池和電容器的進(jìn)一步發(fā)展，為此，世界范圍的研究組已經(jīng)開展了對(duì)新型負(fù)極材料的探索研究工作，包括對(duì)新型碳基材料的發(fā)展和探索。
近年來研發(fā)的碳化石墨、硬碳、石墨烯等作為鈉離子電池和電容器的負(fù)極材料，具有成本低、電位低、容量大等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是很有前途的候選材料。然而，這些碳負(fù)極普遍存在的低容量和循環(huán)穩(wěn)定性是一直有待改善的問題。碳基材料與能源應(yīng)用研究組長(zhǎng)期致力于鈉離子電池和電容器電極材料的研究，開發(fā)制備了基于石墨炔的鈉離子電池和電容器負(fù)極材料，憑借其本身富含炔鍵的特點(diǎn)，石墨炔負(fù)極在儲(chǔ)鈉方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的電化學(xué)表現(xiàn)，包括，多孔石墨炔直接應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極（J. Mater. Chem. A 2017, 5, 2045-2051），摻氮石墨炔實(shí)現(xiàn)兼具高功率密度和能量密度的鈉離子電容器（ChemElectroChem 2018, 5, 1435-1443），石墨炔納米墻獲得高性能鈉離子電容器（ACS Appl. Mater. Interface, 2017, 9, 40604-40613）。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)石墨炔進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，引入氫元素并制備了具有均勻缺陷的氫取代石墨炔類碳材料，而這些引入氫的取代石墨炔，在儲(chǔ)鈉方面均表現(xiàn)出了更高的理論比容量（＞1200 mAh g-1）和實(shí)驗(yàn)比容量（＞600 mAh g-1），同時(shí)具有優(yōu)秀的倍率性能的循環(huán)穩(wěn)定性能(Nat. Commun., 2017, 8, 1172)。
特別是近期，研究組設(shè)計(jì)制備了氫取代石墨炔(HsGY)，其中大量的炔鍵大孔和中孔構(gòu)造有利于電解質(zhì)的快速滲透，縮短了其擴(kuò)散和傳輸?shù)穆窂?，提高了電極的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能（如圖所示）。在100 mAh g-1電流密度下，HsGY電極能夠得到高達(dá)680 mAh g-1的高可逆比容量。即使在高達(dá)5000 mA g-1的電流密度下，HsGY電極的比容量仍可以穩(wěn)定在330 mAh g-1。得益于HsGY電極材料兼?zhèn)涠S和三維層狀多孔材料的特點(diǎn)，鈉離子能夠大量存儲(chǔ)在HsGY的面內(nèi)和面外，同時(shí)鈉離子能夠很容易地在HsGY層內(nèi)擴(kuò)散遷移或?qū)娱g穿越傳輸。穩(wěn)定性測(cè)試表明，在5000 mAh g-1的大電流密度下循環(huán)5900次，其可逆容量也能穩(wěn)定在320 mAh g-1，得到96％的優(yōu)異容量保持率。相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表在國際著名期刊J. Mater. Chem. A (2019, 7, 11186 - 11194)上。
上述研究成果對(duì)于新型碳基材料的設(shè)計(jì)制備及其儲(chǔ)能、催化具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)表明石墨炔類碳材料在能源設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用方面具有巨大的潛力。
研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，中科院前沿重點(diǎn)項(xiàng)目，山東省自然科學(xué)基金的支持（更多信息請(qǐng)?jiān)L問http://cs.qibebt.ac.cn:8081/research）。（文/圖 楊澤）
圖 HsGY及其電化學(xué)性能。(a) 倍率性能，(b) 鈉離子存儲(chǔ)示意圖，(c) 鈉離子遷移路徑示意圖，(d) 循環(huán)性能，插圖是組裝的SIBs可保持LED設(shè)備持續(xù)點(diǎn)亮。
