【文章信息】
可回收熔盐辅助合成的煤沥青基N掺杂多孔碳纳米片用于高性能钠离子电池
第一作者：魏世伟 博士生
通讯作者：王孝广 教授
【研究背景】
锂离子电池是迄今为止最具发展潜力的储能器件，在便携式电子设备和电动汽车领域己获得广泛应用。然而，锂离子电池的发展仍面临两个瓶颈问题：（1）商业化石墨负极材料的结构特性阻碍了锂离子电池倍率性能和循环稳定性的进一步提升；（2）锂资源匮乏限制了锂离子电池在规模化储能领域的应用。对于前者，创制结构新颖、组成可控的新型碳基负极材料替代商业化石墨负极是提升电池性能的关键。对于后者，作为锂离子电池的补充，开发新型钠离子电池用于规模化储能器件是行之有效的解决方案。创制针对大半径钠离子存储的负极材料是实现钠离子电池应用的关键问题。解决上述问题的核心在于建立并发展碳负极材料结构与组成调控新技术策略，探究材料结构与其电化学性能间的构效关系。以煤沥青为原料，基于物理、化学方法设计并调控原料化学组成与分子结构，创制结构与组成可控的新型碳基负极材料用于钠离子负极具有重要意义。
【文章简介】
近日，来自太原理工大学的王孝广教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Recyclable molten-salt-assisted synthesis of N-doped porous carbon nanosheets from coal tar pitch for high performance sodium batteries”的文章。该工作提出了一种以煤沥青为碳材料前驱体，通过可回收熔融盐的方法，构筑了氮掺杂多孔碳纳米片用于高性能钠离子电池。合理的结构设计和元素组分的调控极大地提高了NPCS电极材料对钠离子的储能性能。这项工作为设计和配置高性能钠离子电池储能器件材料提供了新的途径。
【本文要点】
要点一：一种新颖绿色环保的材料合成工艺
可回收熔融盐工艺因其低成本、绿色环保和无污染的特点而被广泛研究。在此，通过以煤沥青为前驱体材料，采用可回收熔融盐法制备了氮掺杂的具有多孔网络结构的NPCS电极材料。与传统模板法相比，该制备方法采用混合KCl与NaCl为模板，在一定程度上可降低材料的制备温度，有利于节约电能。并且该模板在发挥作用之后可以用去离子水清洗掉而无需使用酸碱溶液，这毫无疑问对环境的保护起到了积极的作用。另一方面，经去洗涤后的盐模板可以回收作为模板重复循环使用，有利于降低材料的制备成本。通过将前驱体煤沥青进行一系列的改性和优化，制备了高性能的钠离子电池负极用电极材料。该工作为煤沥青的清洁化和绿色化大规模利用提出新的观点，有利于推动高性能电极材料在钠离子电化学存储技术领域的发展。
要点二：氮掺杂的三维网络结构的碳材料可以为钠离子存储提供丰富的活性位点
获得的NPCS电极具有连续的导电网络，氮含量高达5.22 at.%，有利于电子和离子在钠离子插入/脱嵌过程中的迁移。得益于其合适的结构和化学组成，NPCS电极在钠离子半电池中在0.1 A g-1下表现出313.6 mAh g-1的高可逆容量，并且在10 A g-1大电流下具有131.5 mAh g-1的优异倍率性能。同时，由Na3V2(PO4)3正极和NPCS负极组装而成的全电池在0.1 A g-1电流密度下可提供220.1 mAh g-1的高比容量，在1.0 A电流下循环1000次后每次仅衰减0.003%容量。卓越的电化学性能来源于电极材料拥有的高比表面积、氮元素掺杂及合理的微观结构，从而暴露出更多的电化学活性位点，有利于加速钠离子与电解液离子的快速传递，从而增强了电极材料的整体电化学性能。
要点三：前瞻
在经济高速发展的背景下，传统化石能源的清洁利用被广泛关注。如何将煤炭类资源更清洁、高效地的利用，发挥非燃料化利用价值，是摆在能源转型面前的现实问题。煤沥青资源丰富且价格低廉，碳含量高，对于生产碳类负极材料非常有前景。目前对于高性能钠离子电池负极材料的研究仍然有限，这也是未来一个重要的研究要点。应根据煤沥青材料的结构及内部组分，设计更加绿色、简便的工艺合成高性能的储能用电极材料，推进能源的清洁化利用转型。
【文章链接】
Recyclable molten-salt-assisted synthesis of N-doped porous carbon nanosheets from coal tar pitch for high performance sodium batteries
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140540
【通讯作者简介】
王孝广，男，中共党员，1982年2月生，山东淄博人，2011年毕业于山东大学材料学院材料科学与工程专业，获工学博士学位。2011年起在太原理工大学参加工作，2014-2015年在Marie Curie COFUND Programme资助下于欧盟伊比利亚纳米技术实验室从事博士后研究工作，2017年入选山西省高等学校优秀青年学术带头人。以第一或通讯作者身份在 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Catal., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces, Nanoscale, Chem. Commun.等材料及电化学领域知名学术期刊上发表论文 30 余篇（含 ESI 高被引论文 5 篇，一区论文 19 篇，总影响因子>190）；合作署名发表学术论文 20 余篇；截至目前被他引 2300 余次；H 因子为 35；以第一发明人授权国家发明专利 8 项。
