几丁质衍生的N掺杂非晶碳纳米纤维用于高性能钠离子全电池

chengzi

       钠离子电池（SIB）由于钠资源储量丰富，合适的物理化学性质等特点，有望替代锂离子电池，成为大规模储能领域的新型电池体系。在SIB的研究范围内，碳基纳米材料由于环境友好型、高热力学稳定性、高储量、低成本等优点，一直被认为是二次电池负极材料的合适选择。然而，从外部输入掺杂轻质杂原子（如B、N和S）和设计具独特纳米形貌的碳材料一般都需要比较多的工艺步骤，相对复杂，不利于成本控制和大规模生产。因此，迫切需要寻找一种简单而经济的方法来制备先进的碳基电极材料。几丁质（甲壳素，英文名：chitin），作为一种生物废料是多种活体动物的骨骼和外壳中主要成分，是自然界中储量仅次于纤维排名第二的天然高分子，拥有无毒、可再生等显著优点。值得注意的是，天然纳米纤维结构和分子结构中酰胺的基存在，使得可以通过直接热解便可得到高氮含量掺杂的一维纳米结构碳材料。从这个角度来看，几丁质作为合成纳米结构碳基负极材料的前驱体，显示出巨大的应用潜力。

       北京航空航天大学郭林教授（通讯作者）和王华副教授团队利用生物废料几丁质为前驱体，通过热解，一步法成功制备了天然氮掺杂非晶碳纳米纤维 (NACF)，并且不需要通过额外步骤活化，直接应用于钠离子电池。由于较大的晶格间距（3.87 Å）、氮原子掺杂（7.29 at%）和一维纤维纳米结构的协同效应，作为负极，该电极材料表现出高达320.6mAh g-1的高可逆比容量，高能量密度（192Wh kg-1），优异的倍率性能和极长的使用寿命（超过8000次循环），库伦效率接近100％。此外，通过将NACF电极与普鲁士蓝正极偶联来构建一款廉价的钠离子全电池，并且在200次循环之后比容量为115mAh g-1，容量保持90％以上，证明了该材料潜在的应用前景。相关成果以题为“Direct Chitin Conversion to N-Doped Amorphous Carbon Nanofibers for High-Performing Full Sodium-Ion Batteries”发表在Nano Energy上，该文章第一作者为博士研究生郝锐。