鈉元素由于資源豐富、價(jià)格低廉、與鋰單質(zhì)具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，鈉離子電池受到了科研工作者的廣泛關(guān)注，并有望替代鋰離子電池，成為大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的新型電池體系。大多數(shù)鈉離子存儲(chǔ)的負(fù)極材料（如金屬鈉，金屬氧化物，硫化物）存在倍率性能差，循環(huán)壽命短，成本高和安全性低等問題；而傳統(tǒng)的石墨材料，由于熱力學(xué)原因，無法實(shí)現(xiàn)鈉離子在石墨層間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的可逆脫嵌，因此急需尋找價(jià)格低廉、性能優(yōu)異、具有廣闊應(yīng)用前景的鈉離子電池負(fù)極材料。
碳基納米材料由于環(huán)境友好型、高熱力學(xué)穩(wěn)定性、高儲(chǔ)量、低成本等優(yōu)點(diǎn)，一直被認(rèn)為是二次電池負(fù)極材料的合適選擇。為了更進(jìn)一步提高碳基材料的電化學(xué)性能，解決其首圈庫倫效率低、倍率性能差的缺點(diǎn)，科研工作者通過設(shè)計(jì)合成有特定形貌的微納米結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)離子擴(kuò)散速率和引入輕量原子摻雜（B、N、S）用來來提高碳材料導(dǎo)電性、增加活性位點(diǎn)的方法進(jìn)行改進(jìn)。雖然效果顯著，但同時(shí)也面臨著一些問題，合成步驟繁瑣、活化過程復(fù)雜、大量原材料和時(shí)間的浪費(fèi)，造成成本高昂，產(chǎn)品性價(jià)比差。生物質(zhì)衍生的硬碳材料因其具有較大的層間距、非晶相結(jié)構(gòu)、豐富的自然來源，被認(rèn)為是有相當(dāng)潛力的電池負(fù)極材料。
幾丁質(zhì)（甲殼素，英文名：chitin），作為一種生物廢料是多種活體動(dòng)物的骨骼和外殼中主要成分，是自然界中儲(chǔ)量僅次于纖維排名第二的天然高分子，擁有無毒、可再生、天然納米纖維組成等顯著優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，酰胺基存在于該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)中，因此通過直接熱解便可得到高氮含量的碳材料，所以，幾丁質(zhì)可以作為制備堿金屬離子二次電池碳基負(fù)極材料理想的原料。
北京航空航天大學(xué)的王華副教授和郭林教授課題組利用生物廢料幾丁質(zhì)為前驅(qū)體，通過一步熱解，成功制備了天然氮摻雜非晶碳納米纖維 (NACF)，不需要額外的活化步驟，將這種碳纖維可直接應(yīng)用于鈉離子電池。由于較大的晶格間距（3.87 ?）、氮原子摻雜（7.29at%）和一維纖維納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)，作為負(fù)極材料，該電極表現(xiàn)出了非常高的可逆比容量、優(yōu)異的倍率性能、突出的循環(huán)穩(wěn)定性，證明了該材料潛在的實(shí)際應(yīng)用前景。該文章第一作者為博士研究生郝銳，成果發(fā)表在國際知名期刊Nano Energy上（影響因子：12.26）。
圖1. NACF的合成途徑示意圖。
圖2. 純幾丁質(zhì)AFM圖：A) 高度圖；B)相圖。氮摻雜非晶碳納米纖維的表征：C）SEM圖；D）TEM圖；F）HRTEM圖，內(nèi)插圖：SAED圖；G）不同熱解溫度下樣品XRD圖譜。
圖3. 不同碳化溫度樣品的表征：A）N2吸附脫附恒溫曲線； B）BJH孔徑分布圖；C)Raman光譜。碳化700℃樣品的XPS譜圖：D）全譜；E）C1精細(xì)譜；F）O1精細(xì)譜。
結(jié)果表明，NACFs/Na半電池在0.05A/g的電流密度下循環(huán)400次的可逆容量達(dá)320.6mAh/g，在1A/g的電流密度下循環(huán)8000圈后仍可以維持120mAh/g的高可逆比容量，顯示了在大電流密度下優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性。在0.05、0.1、0.2、0.5、1A/g電流密度下，各循環(huán)10圈后可逆放電容量分別為321，290，241，203，120mAh/g，然后再0.05A/g循環(huán)15圈時(shí)可逆放電容量回到320.5mAh/g，體現(xiàn)了優(yōu)異的倍率性能。
相關(guān)分析證實(shí)，其出色電化學(xué)性能主歸結(jié)于以下幾方面協(xié)同作用的影響：(i) 一維的纖維結(jié)構(gòu)為電子的傳輸提供了優(yōu)良的通道，提高了傳輸效率，較大的比表面積有利于在電解液界面吸附鈉離子，進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移；同時(shí)大量介孔的存在，為鈉離子的儲(chǔ)存提高了更多空間。(ii)氮元素的成功摻雜，明顯提高了材料的導(dǎo)電率，增加了電化學(xué)活性位點(diǎn)，有效的促進(jìn)了電化學(xué)反應(yīng)；較大的層間距和非晶態(tài)的存在形式，也為鈉離子的嵌入脫出提供了良好的空間環(huán)境。
圖4. 不同碳化溫度樣品電化學(xué)性能：A）首圈充放電曲線，電流密度50mA/g，電壓范圍0.01~2.5 V；B）50圈循環(huán)曲線，電流密度0.05A/g；C）電化學(xué)阻抗譜。碳化700℃樣品的電化學(xué)性能：D）循環(huán)伏安曲線，掃描電壓0.3mV/s，范圍0.01~2.5 V；E）倍率性能，電流密度0.05~1A/g；F）基于不同類型碳基納米材料的鈉離子電池負(fù)極功率密度比較圖；G）超長8000循環(huán)，電流密度1A/g。
圖5. 不同碳化溫度下所得樣品：A）表面形貌的SEM圖，標(biāo)尺為200 nm；B)氮元素的XPS精細(xì)譜；C) 氮元素存在的三種類型所占比例與材料導(dǎo)電性。D）鈉離子儲(chǔ)存與電子傳輸機(jī)理圖。
以廉價(jià)的普魯士藍(lán)為正極材料，組裝了一款低成本全鈉離子電池。在電流密度為0.1A/g的條件下，該全電池展現(xiàn)出了出色的循環(huán)穩(wěn)定性，在200圈過后，還能保持120mAh/g的可逆容量。將兩個(gè)全電池進(jìn)行串聯(lián)，成功點(diǎn)亮了一款帶有LED燈的商用電扇，進(jìn)一步證明該材料潛在的應(yīng)用前景。
圖6. A）鈉離子全電池示意圖。正極：普魯士藍(lán)；負(fù)極：氮摻雜非晶碳納米纖維；B）全鈉離子電池循環(huán)伏安曲線，掃描速度0.3mV/s，掃描范圍0.01~3.5 V；C）全鈉離子電池電循環(huán)圖，電流密度0.1A/g；D）兩粒全電池串聯(lián)帶動(dòng)實(shí)用電扇工作的展示
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品：
- 高品質(zhì)石墨烯
- 氧化石墨烯
- 氮摻雜石墨烯粉末
- 羧基化石墨烯
- 氨基化石墨烯
- 氟化石墨烯
- 咪唑修飾石墨烯
- 負(fù)載金屬石墨烯
- 磁性石墨烯
- 石墨烯電鏡載網(wǎng)
- 氧化石墨烯電鏡載網(wǎng)
- 進(jìn)口石墨烯套裝
- 工業(yè)級(jí)石墨烯
- 石墨烯海綿
- 石墨烯膜
- 氧化石墨烯膜
- 氧化石墨
- 石墨粉
- 石墨化炭黑
- 石墨烯表面修飾服務(wù)
- 改性石墨烯納米片
- CVD石墨烯
- 高品質(zhì)石墨烯
- 氧化石墨烯
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- 石墨烯電鏡載網(wǎng)
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