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Angew. Chem. :空间位阻策略助力钠离子电池聚合物衍生硬炭闭孔调控2024-10-22
近年来,钠离子电池作为可持续能源转换技术,可缓解锂资源紧张问题,引起了人们的极大关注。为了获得实用的钠离子电池,急需开发高性能的电极材料以满足现实需求。硬炭具有丰富的缺陷、较大的层间距(>0.37 nm)和大量的纳米微孔,被认为是目前最有希望商业化的钠离子电池负极材料。

钠离子在硬炭中的存储一般分为斜坡区(> 0.1V)和平台区(< 0.1V),其中平台区储钠占据主导,并且依赖于硬炭闭孔结构。然而,现有聚合物衍生硬炭的闭孔数量少,呈现出较低的储钠容量;且有关聚合物热解形成闭孔的机制研究较少,缺乏分子水平上的有效调控策略。

近日,华南理工大学熊训辉教授团队以典型的酚醛聚合物为研究对象,借助芳香环的空间位阻效应改善酚醛聚合物的自由体积和分子链刚性,并在后续高温炭化中成功调控出更多硬炭闭合孔隙,实现高性能钠离子电池。

 

 

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研究发现,通过在酚醛聚合物侧链上接枝含芳香环的位阻基团,可有效调控了聚合物的空间分布,提高了聚合物内部的空间自由体积,有助于在酚醛树脂炭化过程中形成更加丰富的微米级闭孔结构。

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此外,所引入的芳香基团具有较高的热稳定温度(400~600℃),并构建π-π堆积增强分子链的刚性,可在酚醛聚合物高温炭化过程中改善炭骨架结构稳定性,减少裂解重排的次数并有效抑制碳层的过度石墨化,从而促进更多自由体积转化为闭孔。

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基于上述空间位阻策略的调控,所制备的硬碳负极实现了较高的可逆储钠容量、出色的倍率性能和良好的循环稳定性。该工作是首例基于空间位阻效应揭示聚合物衍生硬炭闭孔形成机理的报道,具有一定的普适性,这为未来钠离子电池高性能硬碳负极材料的设计提供了新的视角和方法。

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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