用于储能的高效钠离子电池负极-意大利Zenith蓄电池

用于储能的高效钠离子电池负极-意大利Zenith蓄电池

锂价格昂贵且容量有限，因此需要开发锂离子电池以外的高效储能系统。钠是一个很有前途的候选者。然而，钠离子体积大且反应迟缓，会影响钠离子电池 (SIB) 的阳极性能。研究人员最近开发了热解喹吖啶酮，一种新型碳质 SIB 负极材料，它高效、易于制备，并具有优异的电化学性能，包括高钠离子存储性能和循环稳定性。
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气候变化是本世纪全球关注的主要问题。有必要通过利用可再生能源和开发高效的储能系统来减少碳排放。锂离子电池具有高能量密度和长循环寿命，使其成为便携式电子产品和电动汽车不可或缺的材料。然而，锂的高成本和有限的供应需要开发替代储能系统。为此，研究人员建议将钠离子电池 (SIB) 作为可能的候选者。

除了具有与锂相似的物理化学性质外，钠还具有可持续性和成本效益。然而，它的离子很大，扩散动力学缓慢，阻碍了它们在商业化石墨阳极的碳微结构中的容纳。因此，SIB 阳极存在结构不稳定和存储性能差的问题。在这方面，掺杂有杂原子的碳质材料显示出了希望。然而，它们的制备过程复杂、昂贵且耗时。

最近，由韩国釜山国立大学的 Seung Geol Lee 教授领导的一组研究人员使用喹吖啶酮作为前体来制备碳质 SIB 阳极。“喹吖啶酮等有机颜料具有多种结构和官能团。因此，它们会产生不同的热分解行为和微观结构。当用作储能材料的前体时，热解的喹吖啶酮可以极大地改变二次电池的性能。因此，可以通过控制有机颜料前体的结构来实现高效电池，”李教授解释道。他们的研究于 2022 年 10 月 17 日在线发布，并将于 2023 年 2 月 1 日发表在《化学工程杂志》第 453 卷第 1 部分中。

研究人员在他们的研究中专注于 2,9-二甲基喹吖啶酮 (2,9-DMQA)。2,9-DMQA 具有平行分子堆积构型。在 600°C 下热解（热分解）后，2,9-DMQA 从微红色变为黑色，炭化率高达 61%。研究人员接下来进行了全面的实验分析，以描述潜在的热解机制。

他们提出，甲基取代基的分解在 450°C 时会产生自由基，从而形成多环芳烃，其具有纵向生长的微观结构，这是由于沿平行堆积方向的键桥而产生的。此外，2,9-DMQA 中的含氮和含氧官能团会释放气体，从而在微观结构中形成无序区域。相反，热解未取代的喹吖啶酮形成高度聚集的结构。这表明形态发展受前体晶体取向的显着影响。

此外，在 600°C 下热解的 2,9-DMQA 作为 SIB 表现出高倍率性能（在 0.05 A/g 下为 290 mAh/g）和出色的循环稳定性（在 5 A/g 下为 134 mAh/g，持续 1000 个循环）阳极。含氮和含氧基团通过表面限制和层间距离增加进一步增强电池存储。

Lee 教授总结道：“喹吖啶酮等有机颜料可用作钠离子电池的负极材料。鉴于其高效率，它们将为大规模生产储能系统提供有效的策略。”

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