比利时列日大学《Carbon》：CVD涂层碳干凝胶，用于钠离子电池

成果简介

本文，比利时列日大学 Nathalie Job等研究人员《Carbon》期刊发表名为“CVD-coated carbon xerogels for negative electrodes of Na-ion batteries”的论文，研究通过间苯二酚与甲醛在水中的缩聚反应合成具有不同结节大小的碳干凝胶（CX），从50 nm至2 μm，然后在800℃下热解 以研究它们作为钠离子电池负极材料的电化学性能。

所有样品都具有高比表面积（～600 m²g⁻¹ 通过N2物理吸附）。化学气相沉积（CVD）用于填充或掩模微孔，以减轻高表面积对初始库仑效率（ICE）的典型有害影响。较大的结节与Na⁺储存能力和ICE（高达80%）的增加相关，与测量的比表面积无关。值得注意的是，显示2μm的样本 的结核在C/20循环速率下达到248 mAh g⁻¹ 和80%ICE的可逆容量。CVD沉积的碳层显示出类似石墨的结构，并完全堵塞微孔，降低了比表面积，并将可逆容量和ICE分别提高到298 mAh g⁻¹ 和84%。这种由两种不同碳组成的材料在钠离子电池碳基材料的发展中显示出巨大的前景。

图文导读

图1.（a） CX-450、（b） CX-450-C、（c） CX-1500、（d） CX-1500-C、（e） CX-2500、（f） CX-2500-C、（g） CX-LPH、（h） CX-LPH-C 的 SEM 图像。

图2.（a） CX-450-C 和 （b） CX-LPH-C 在更高放大倍率下的 SEM 图像。

图3、样品的XRD图谱

图4 .（a）和（b）CX-LPH以及（c）和（d）CX-LPH-C的TEM图像。橙色：涡轮层域。显微照片（e）和（f）在不同放大倍率下更精确地显示了样品CX-LPH-C的干凝胶颗粒的边缘。

图5.气体吸附的孔隙纹理分析

图6。CVD程序对碳干凝胶（a）CX-450、（b）CX-1500和CX-2500以及（c）CX-LPH的孔结构的影响。

小结

通过间苯二酚与甲醛在水中缩聚，然后在 800 °C 下干燥和热解，合成了具有不同结节尺寸的碳异凝胶 (CX)。碳结核的尺寸在 50 nm 和 2 μm 之间进行了调整，同时确保相似的高比表面积，以确定其对这些碳作为纳离子电池负极材料的电化学特性的影响。通过化学气相沉积（CVD）在 CX 核上涂上一层二次碳，以掩蔽或填充其微孔，提高其初始库仑效率（ICE）。

增大结核尺寸会导致 Na⁺总插入能力和 ICE 的增加：特别是，当结核尺寸从 50 纳米增大到 2 微米时，ICE 值从 29% 剧变到 80%。与现有文献中通常得出的结论不同，ICE 似乎与样品的比表面积无关。这表明气体吸附探测的表面与电解质可接触的表面积并不一致，尤其是在结核尺寸较大的情况下。值得注意的是，在循环速率为 C/20 时，结核尺寸最大的 2 μm 样品的可逆容量和 ICE 值分别高达 248 mAh g⁻¹和 80%。值得注意的是，由于 Na⁺离子在碳结核内的扩散路径长度较短，在较高 C 速率下样品的反应方向正好相反，较小的结核导致较低的容量损失。

CVD 层在结核外表面显示出相对较大的石墨畴，完全掩盖了微孔。事实上，通过氮吸附测得的比表面积从 50 nm 结节样品的约 600m²g⁻¹ 降至 135 m²g⁻¹ ，当结节尺寸为 2 μm 时，比表面积低至 2m²g⁻¹ 。由于电解质可接触的表面积减小，所有样品的 ICE 都大幅增加，结核尺寸最大时达到 84%。总容量也增加了（高达 298 mAh g⁻¹ ），这主要与低电压下（相对于 Na^+/Na 电压小于 0.1 V）的高原延长有关，通常是由于 Na⁺ 填充了小微孔。因此，通过 CVD 沉积的二次碳层会掩盖微孔，从而扩大适合储存 Na⁺的封闭微孔的体积。

优化 CVD 涂层厚度和碳异凝胶结核尺寸，同时理解 Na⁺通过石墨状碳层的插入-析出过程，有望为钠离子电池负极用硬质碳的工程设计取得重大进展铺平道路。

文献:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119077