锂离子电池具有高能量密度和长循环寿命,广泛应用于便携式电子产品和电动汽车。然而,锂的成本高、储量有限,因此需要开发替代储能系统,比如钠离子电池(SIB)。
(图片来源:釜山大学)
钠具有与锂相似的物理化学性质,而且能提供可持续性和成本效益。然而,钠的离子较大,扩散动力学缓慢,难以适应商用碳负极中的碳微结构,因此SIB负极存在结构不稳定和存储性能差的问题。使用掺杂杂原子的碳质材料,有望解决这些问题,但其制备过程复杂、昂贵和耗时。
据外媒报道,最近,由韩国釜山国立大学(Pusan National University)的Seung Geol Lee教授负责的团队,使用喹吖啶酮(quinacridones)作为前体来制备碳质SIB负极。诸如喹吖啶酮的有机染料拥有不同的结构和功能团,从而产生不同的热分解行为和微结构。当用作储能材料的前体时,热解的喹吖啶酮可以极大地改变二次电池的性能。因此,可以通过控制有机染料前体的结构来打造高效电池。
在这项研究中,研究人员重点关注2,9-二甲基喹吖啶酮(2,9-DMQA)。这种材料拥有平行分子填充结构,在600°C下热解时,可从淡红色变成黑色,残炭率高达61%。研究人员接下来进行了全面的实验分析,以描述潜在的热解机制。
研究人员提出,甲基取代基在450°C时会分解产生自由基,从而形成多环芳烃。多环芳烃具有纵向生长微结构,这是由平行堆积方向上的键桥而产生的。此外,2,9-DMQA中的含氮和含氧官能团会释放气体,从而在微观结构中形成无序区域。相反,热解未取代喹吖啶酮形成高度聚集的结构。由此可以看出,形态发展受到前体晶体取向的极大影响。
此外,在600°C下热解的2,9-DMQA,作为SIB负极表现出高倍率性能(在0.05 A/g时为290 mAh/g)和卓越的循环稳定性(在5 A/g时为134 mAh/g,持续1000个循环)。由于表面限制和层间距离增加,含氮和含氧基团可进一步提高电池存储。
Lee教授表示:“诸如喹吖啶酮的有机染料,可用作钠离子电池的负极材料,提供高效率,用于量产大规模储能系统。”