S-Doped N-Rich Carbon Nanosheets with Expanded Interlayer Distance as Anode Materials for Sodium-Ion Batteries

近年来，随着便携式移动电子设备和电动汽车的迅猛发展，锂盐消耗持续增长导致其价格不断攀升。过高的原材料成本大大降低了开发大规模储能设备的可行性，因而探索资源丰富、成本低的钠离子电池成为储能领域的研究热点和难点。
在诸多引起关注的钠离子电池负极材料中，碳基材料具有最好的应用前景。商业化的锂离子电池负极材料石墨因层间距较小、与钠离子相互作用较弱，阻碍了钠离子的嵌入和存储，因而表现出较低的电化学容量，限制了其在钠离子电池中的应用。为解决这一问题，研究小组利用一种简单、可控的方法实现了S原子对溶胶凝胶法制备的富N碳片中特定N原子取代，得到N、S共掺的新型碳材料。这一材料中，S在增大碳层间距离和比表面积的同时，也增加了法拉第反应活性位点，共同实现了提高碳材料储钠容量的目的。研究小组还通过计算模拟揭示了N、S共掺杂对促进钠离子在碳材料层间的嵌入和迁移的作用机制。该材料当其用于钠离子电池测试时，在50 mA g-1条件下比容量为350 mA h g-1，在10 A g-1条件下，仍可实现110 mA h g-1的高容量。材料在大电流1 A g-1下循环1000周后容量保持率高达95%。该材料不仅可以实现硫的可控掺杂，而且可形成稳定的类噻吩结构，有效避免了在充放电过程中向钠硫电池转化而导致循环稳定性降低的弊端。该成果为钠离子电池的实用化提供了一种可行的负极材料解决方案。
该工作由在周震教授指导，由2015级硕士研究生杨济谦和2013级硕士毕业生周贤龙作为共同第一作者合作完成，计算小组提供计算模拟支持。
该研究得到了国家自然科学基金委创新研究群体基金、国家重点研发计划项目和国隆南开新材料联合实验室的支持。