AEM: 具有优异稳定性和高能量密度的坚固钠离子电池阳极的原子尺度界面工程

文章总结

在追求高性能钠离子电池的过程中，在传统硬碳负极中，增强界面动力学同时保持结构完整性这一长期存在的难题仍然是一个巨大的障碍。本研究提出了一种开创性的熔盐辅助合成方法，制备了锚定在分级多孔硬碳纳米片中的锰单原子（Mn-PHCS），其具有独特的不对称 Mn–O3–N 构型。通过原子级的界面工程，硬碳的局部电子结构得到了精细调控，加快了界面电荷转移并促进了快速的赝电容反应。密度泛函理论计算进一步证实，Mn–O3–N 活性中心优化了电极 - 电解质界面，催化了六氟磷酸钠（NaPF6）的可控分解，并促进了富含无机物（以 NaF 为主）的固体电解质中间相层的形成。Mn-PHCS 精细的原子构型使其具有令人印象深刻的可逆容量，为 419 mAh g−1，在 1 A g−1 的电流密度下循环 1000 次后容量保持率为 94.3%，并且在 5 A g−1 的电流密度下循环寿命超过 7500 次。当钠离子全电池与 Na3V2 (PO4) 3 正极配对时，实现了 269.2 Wh kg−1 的引人注目的能量密度。这项工作不仅阐明了原子尺度界面工程与电化学性能之间的复杂关系，还为下一代储能系统的发展提出了一种变革性的原理。

图文简介

a) Mn-PHCS 制备的示意图。b) 扫描电子显微镜（SEM）图像，c) 透射电子显微镜（TEM）图像，d) 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，e) 高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，f) 相应的元素映射图，以及 g) Mn-PHCS 的 X 射线衍射（XRD）图谱。h) 锰（Mn）K 边 X 射线吸收近边结构（XANES）。i) 傅里叶变换扩展 X 射线吸收精细结构（FT-EXAFS）光谱。j) FT-EXAFS 拟合曲线。k–m) k² 加权的 EXAFS 数据的小波变换。

Mn-PHCS、PHCS 以及 HCS 的电化学表征

a) 在不同充 / 放电电位下的非原位 X 射线衍射（XRD）图谱以及 b) Mn-PHCS 的原位拉曼光谱。c) G 峰的相对位移以及 ID/IG 值随电压的变化情况。d) Mn-PHCS 和 PHCS 电极的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像（电流密度为 0.1 A g⁻¹，第 250 次循环）。e) Mn-PHCS 上固体电解质中间相（SEI）的 F 1s 深度剖析 X 射线光电子能谱（XPS）。f) PHCS 上固体电解质中间相（SEI）的 F 1s 深度剖析 X 射线光电子能谱（XPS）。g) 通过 XPS 测量的不同刻蚀深度下的原子含量演变情况。h) Mn-PHCS 的能量色散光谱（EDS）元素映射图。i) 三维飞行时间二次离子质谱（3D TOF-SIMS）可视化图谱，展示了固体电解质中间相（SEI）中无机物和有机物的分布情况。j) 固体电解质中间相（SEI）的深度剖析飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析

a) 磷酸钒钠（NVP）//Mn-PHCS 全电池的示意图。b) NVP//Mn-PHCS 全电池的充放电曲线。c) 在 0.1 A g⁻¹ 电流密度下的循环性能以及 d) NVP//Mn-PHCS 和 NVP//PHCS 全电池的倍率性能。e) NVP//Mn-PHCS 全电池在不同电流密度下的充放电曲线。f) NVP//Mn-PHCS 器件与先前已报道结果的拉贡图（Ragone plots，用于展示功率密度与能量密度关系的图）。

论文信息

通讯作者：Xiang Hu, Zheng Bo, Zhenhai Wen

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