QCM-D揭示闭孔结构的溶剂化调控机制与硬碳负极的钠存储性能
2025-04-27 来源:本站 点击次数:99
用户成果｜天津大学杨全红团队Nature Communications：应用QCM-D揭示闭孔结构的溶剂化调控机制与硬碳负极的钠存储性能
背景知识
钠离子电池（SIBs）因资源丰富、成本低廉，被视为锂离子电池（LIBs）的理想替代品，尤其适用于大规模储能。然而，其商业化进程受限于负极材料的性能瓶颈。硬碳因其高储钠容量成为研究热点，其中闭孔结构被认为是提升初始库仑效率（ICE）和循环稳定性的关键。但长期以来，闭孔的定义模糊（如仅基于N₂吸附能力），且缺乏明确的设计原则，导致电化学性能难以突破。近日，天津大学杨全红团队以“Redefining closed pores in carbons by solvation structures for enhanced sodium storage”为题在《Nature Communications》上发表了相关研究，其中应用了QSense QCM-D技术揭示了闭孔结构的溶剂化调控机制与硬碳负极的钠存储性能，取得重大进展。
研究方法
研究团队以碳分子筛（CMS）为模型材料，通过高温处理（800–1600°C）精确调控孔口尺寸（PMS），并系统分析了其对溶剂化结构和SEI的影响：
Group II（CMS-800/1000，孔口0.35–0.5 nm）：仅吸附CO₂。
Group III（CMS-1100/1300/1600，孔口<0.35 nm）：无法吸附N₂和CO₂。
拉曼光谱、FTIR、SAXS：分析溶剂化结构、SEI成分及孔内分布。
DFT计算：模拟不同缺陷结构对钠存储的贡献。
实验结果与分析
Group II（CMS-800）：部分脱溶剂化，形成接触离子对（CIPs），SEI仍含大量有机成分，ICE提升至61%。
Group III（CMS-1300）：孔口<0.35 nm时，大部分溶剂壳层被“筛除”，阴离子聚集体（AGGs）主导孔内溶剂化结构，生成无机富NaF的薄SEI，ICE高达91%，循环200次容量保持率95%。
揭示SEI分层形成机制：CMS-1300在高电位区（1.4–0.87 V）优先生成无机SEI，显著抑制溶剂分解。
结论与展望
精准调控缺陷类型（如边缘缺陷），进一步提升低电位容量。
基金支持
本研究由国家自然科学基金（52202278、22379109、U23B2077）、中国科协青年人才托举工程（2022QNRC001）等资助。
原文链接
Nature Communications | 10.1038/s41467-025-59022-8
背景知识
钠离子电池（SIBs）因资源丰富、成本低廉，被视为锂离子电池（LIBs）的理想替代品，尤其适用于大规模储能。然而，其商业化进程受限于负极材料的性能瓶颈。硬碳因其高储钠容量成为研究热点，其中闭孔结构被认为是提升初始库仑效率（ICE）和循环稳定性的关键。但长期以来，闭孔的定义模糊（如仅基于N₂吸附能力），且缺乏明确的设计原则，导致电化学性能难以突破。近日，天津大学杨全红团队以“Redefining closed pores in carbons by solvation structures for enhanced sodium storage”为题在《Nature Communications》上发表了相关研究，其中应用了QSense QCM-D技术揭示了闭孔结构的溶剂化调控机制与硬碳负极的钠存储性能，取得重大进展。
研究方法
研究团队以碳分子筛（CMS）为模型材料，通过高温处理（800–1600°C）精确调控孔口尺寸（PMS），并系统分析了其对溶剂化结构和SEI的影响：
- 孔口尺寸分类：
Group II（CMS-800/1000，孔口0.35–0.5 nm）：仅吸附CO₂。
Group III（CMS-1100/1300/1600，孔口<0.35 nm）：无法吸附N₂和CO₂。
- 关键表征技术：
拉曼光谱、FTIR、SAXS：分析溶剂化结构、SEI成分及孔内分布。
DFT计算：模拟不同缺陷结构对钠存储的贡献。
实验结果与分析
- 孔口尺寸对SEI的影响：
Group II（CMS-800）：部分脱溶剂化，形成接触离子对（CIPs），SEI仍含大量有机成分，ICE提升至61%。
Group III（CMS-1300）：孔口<0.35 nm时，大部分溶剂壳层被“筛除”，阴离子聚集体（AGGs）主导孔内溶剂化结构，生成无机富NaF的薄SEI，ICE高达91%，循环200次容量保持率95%。
- QCM-D的核心作用：
揭示SEI分层形成机制：CMS-1300在高电位区（1.4–0.87 V）优先生成无机SEI，显著抑制溶剂分解。
- 缺陷的“屏蔽效应”：
结论与展望
- 闭孔新定义：孔口<0.35 nm（以CO₂为探针）是理想闭孔标准，可优化SEI成分并激活缺陷的可逆储钠能力。
- 实际意义：为硬碳负极的工业化设计提供理论指导，推动高能量密度、长寿命钠离子电池发展。
- 未来方向：
精准调控缺陷类型（如边缘缺陷），进一步提升低电位容量。
基金支持
本研究由国家自然科学基金（52202278、22379109、U23B2077）、中国科协青年人才托举工程（2022QNRC001）等资助。
原文链接
Nature Communications | 10.1038/s41467-025-59022-8
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