碳基材料由于資源豐富、價(jià)格低廉同時(shí)又環(huán)境友好被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ拟c離子電池負(fù)極材料，硬碳、炭黑、碳纖維、石墨烯等相繼見(jiàn)諸報(bào)端。不幸的是，大多數(shù)碳材料在不同程度上存在首次庫(kù)倫效率低和循環(huán)性能差的問(wèn)題，而雜環(huán)原子(例如B,N,S,P)的摻雜可改善上述問(wèn)題，因?yàn)樗芴岣邔?dǎo)電性，同時(shí)又能引入結(jié)合鈉離子的活性位點(diǎn)，氮摻雜的碳基材料被廣泛研究并在作為鈉電負(fù)極時(shí)展現(xiàn)出重大進(jìn)步。
與氮相比，硫擁有更大的原子尺寸和更小的電負(fù)性，摻雜時(shí)更有利于增大層間距、引入活性位點(diǎn)、增強(qiáng)碳基材料的電學(xué)性能。從雙元素?fù)诫s的協(xié)同效應(yīng)的角度來(lái)看，N/S共摻雜是實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性和擴(kuò)大層間距的有效方式。但是，通常用含硫的前驅(qū)體作為硫源，僅能通過(guò)擴(kuò)大層間距來(lái)提高鈉的嵌入，不能提供額外的的法拉第反應(yīng)來(lái)進(jìn)一步提高儲(chǔ)鈉容量。
圖1 硫摻雜的示意圖
為解決此類問(wèn)題，南開大學(xué)周震教授團(tuán)隊(duì)采用了一種完全不同的方式進(jìn)行硫摻雜——在H2S氣氛下熱處理富氮碳納米片。
該方式利用氣-固反應(yīng)直接將吡咯N取代為S，通過(guò)形成-C-S-C-鍵的形成來(lái)提高S的利用率(如圖1所示)，增大層間距的同時(shí)(圖2)提供更多的活性位點(diǎn)來(lái)滿足高度可逆的儲(chǔ)鈉反應(yīng)，因此該氮硫共摻雜的多孔碳納米片(S-N/C)用作鈉電負(fù)極時(shí)展現(xiàn)出高容量和優(yōu)異的倍率性能。
圖2 氮硫摻雜對(duì)碳材料層間距的影響
從S-N/C的CV中可以看出，與N/C相比，S-N/C在1.05V有一個(gè)還原峰，對(duì)應(yīng)Na+與連結(jié)在碳基底上的S之間的反應(yīng)，在1.8V有一個(gè)氧化峰，表明S-N/C的部分容量是由Na+與 S之間的法拉第反應(yīng)貢獻(xiàn)。在50mA/g的電流密度下，穩(wěn)定容量可保持在350mAh/g左右，即使電流密度提高到10A/g，容量仍可維持在110mAh/g左右，展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。
圖3 S-N/C電化學(xué)性能
上述成果發(fā)表于AdvancedMaterial
Yang J, Zhou X, Wu D, etal. S‐Doped N‐Rich Carbon Nanosheets with Expanded Interlayer Distance as AnodeMaterials for Sodium‐Ion Batteries[J]. Advanced Materials, 2016.
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