碳纤维@N/S共掺杂介孔碳复合材料的可控构筑及其储钠性能研究

The development of high-performance carbon anode materials has been an urgent problem in researching sodium-ion batteries. However, carbon anode materials have met several challenges for its typically low specific capacity, poor rate capability and poor cycle stability. This project is intended to choose carbon nanofibers as the carrier, through the construction of mesoporous silica templates on the surface of carbon nanofibers, solvent evaporation and high temperature carbonization of carbon source, nitrogen source and sulfur source, to build novel coaxial cable structure of carbon fiber@N/S co-doped mesoporous carbon composites. It is expected to enhance the sodium-storage performance of the composites by the synergistic effect of rich mesoporous structure and suitable N/S atom doping. Then the relationships between the morphology, structure, composition, interfacial interaction of the composites and electrochemical performance of the batteries are investigated. The optimal pore structure parameters and N/S atom doping form and content for composites are explored. The internal causes of the low initial coulombic efficiency and the rapid decline of the battery capacity are studied. Finally we clarify the reaction kinetics and energy-storage mechanism of the composite electrode. Based on the research, it is expected to obtain the novel carbon anode materials with high capacity, high rate capability and long cycle stability, and provide key materials and theoretical support for the development of sodium-ion batteries.

开发高性能的碳负极材料一直是钠离子电池研究迫切需要解决的科学难题。本项目针对碳负极材料存在比容量低、倍率性能差和循环性能不理想这一核心问题，拟以碳纳米纤维为载体，通过介孔二氧化硅的表面构建，以及碳源、氮源、硫源的溶剂蒸发和高温碳化，构筑新型“同轴电缆”结构的碳纤维@N/S共掺杂介孔碳复合材料，旨在利用复合材料丰富介孔结构和合适N/S原子掺杂的协同作用，全面提升材料的储钠性能。研究复合材料形貌、结构、组成、界面性质与电池电化学性能关系，探明复合材料利于Na+存储的最优孔结构参数和N/S原子掺杂形式及含量，揭示电池首次库仑效率偏低以及电池容量衰减较快的内在原因，阐明复合电极反应动力学及其储能机理。项目研究可望获得高容量、高倍率和长循环性能的新型碳负极材料，为钠离子电池发展提供关键材料与理论支撑。

开发高性能的碳负极材料一直是钠离子电池研究迫切需要解决的科学难题。本项目针对碳负极材料存在比容量低、倍率性能差和循环性能不理想这一核心问题，以碳纳米纤维为载体，通过介孔二氧化硅的表面构建，以及碳源、氮源、硫源的溶剂蒸发和高温碳化，构筑新型“同轴电缆”结构的碳纤维@N/S共掺杂介孔碳复合材料。研究复合材料形貌、结构、组成、界面性质与电池电化学性能关系，探明复合材料利于Na+存储的最优孔结构参数和N/S原子掺杂形式及含量，揭示电池首次库仑效率偏低以及电池容量衰减较快的内在原因，阐明复合电极反应动力学及其储能机理。发展了一系列控制碳基纳米材料形貌（一维、二维、三维）、比表面积、多孔结构（比表面积和微孔、介孔、层次孔）、组成、异原子掺杂（N、S等）形式及含量等结构参数的有效方法和技术。电化学性能研究发现，多维形貌结构调控、复合层次孔结构构筑、异原子共掺杂等手段，确实可以在很大程度上提升碳基纳米材料的充放电容量、倍率性能和循环性能等指标。在一系列实验结果的基础上，我们通过探究碳基纳米材料结构参数与电池电化学性能之间的相关性，围绕电池充放电行为、库仑效率的变化、循环过程中电极反应过程及Na+嵌入/脱嵌行为变化等关键问题进行了原理和规律的探索研究，阐明了碳基纳米材料电极反应动力学及其储能机理，揭示了电池首次库仑效率偏低以及电池容量衰减较快的内在原因。本项目的研究结果不仅丰富了碳基纳米材料的储钠机理，在基础研究上具有重要意义，还为钠离子电池提供高容量、高倍率和长循环性能的新型碳负极材料。项目实现了预定研究目标，完成了计划书中的全部研究内容，在Carbon等国际著名期刊上发表论文15篇，申请发明专利3项，协助培养研究生2名。