QCM-D揭示閉孔結(jié)構(gòu)的溶劑化調(diào)控機制與硬碳負極的鈉存儲性能
用戶成果｜天津大學(xué)楊全紅團隊Nature Communications：應(yīng)用QCM-D揭示閉孔結(jié)構(gòu)的溶劑化調(diào)控機制與硬碳負極的鈉存儲性能
背景知識
鈉離子電池（SIBs）因資源豐富、成本低廉，被視為鋰離子電池（LIBs）的理想替代品，尤其適用于大規(guī)模儲能。然而，其商業(yè)化進程受限于負極材料的性能瓶頸。硬碳因其高儲鈉容量成為研究熱點，其中閉孔結(jié)構(gòu)被認為是提升初始庫侖效率（ICE）和循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。但長期以來，閉孔的定義模糊（如僅基于N₂吸附能力），且缺乏明確的設(shè)計原則，導(dǎo)致電化學(xué)性能難以突破。近日，天津大學(xué)楊全紅團隊以“Redefining closed pores in carbons by solvation structures for enhanced sodium storage”為題在《Nature Communications》上發(fā)表了相關(guān)研究，其中應(yīng)用了QSense QCM-D技術(shù)揭示了閉孔結(jié)構(gòu)的溶劑化調(diào)控機制與硬碳負極的鈉存儲性能，取得重大進展。
研究方法
研究團隊以碳分子篩（CMS）為模型材料，通過高溫處理（800–1600°C）精確調(diào)控孔口尺寸（PMS），并系統(tǒng)分析了其對溶劑化結(jié)構(gòu)和SEI的影響：
Group II（CMS-800/1000，孔口0.35–0.5 nm）：僅吸附CO₂。
Group III（CMS-1100/1300/1600，孔口<0.35 nm）：無法吸附N₂和CO₂。
拉曼光譜、FTIR、SAXS：分析溶劑化結(jié)構(gòu)、SEI成分及孔內(nèi)分布。
DFT計算：模擬不同缺陷結(jié)構(gòu)對鈉存儲的貢獻。
實驗結(jié)果與分析
Group II（CMS-800）：部分脫溶劑化，形成接觸離子對（CIPs），SEI仍含大量有機成分，ICE提升至61%。
Group III（CMS-1300）：孔口<0.35 nm時，大部分溶劑殼層被“篩除”，陰離子聚集體（AGGs）主導(dǎo)孔內(nèi)溶劑化結(jié)構(gòu)，生成無機富NaF的薄SEI，ICE高達91%，循環(huán)200次容量保持率95%。
揭示SEI分層形成機制：CMS-1300在高電位區(qū)（1.4–0.87 V）優(yōu)先生成無機SEI，顯著抑制溶劑分解。
結(jié)論與展望
精準(zhǔn)調(diào)控缺陷類型（如邊緣缺陷），進一步提升低電位容量。
基金支持
本研究由國家自然科學(xué)基金（52202278、22379109、U23B2077）、中國科協(xié)青年人才托舉工程（2022QNRC001）等資助。
原文鏈接
Nature Communications | 10.1038/s41467-025-59022-8
背景知識
鈉離子電池（SIBs）因資源豐富、成本低廉，被視為鋰離子電池（LIBs）的理想替代品，尤其適用于大規(guī)模儲能。然而，其商業(yè)化進程受限于負極材料的性能瓶頸。硬碳因其高儲鈉容量成為研究熱點，其中閉孔結(jié)構(gòu)被認為是提升初始庫侖效率（ICE）和循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。但長期以來，閉孔的定義模糊（如僅基于N₂吸附能力），且缺乏明確的設(shè)計原則，導(dǎo)致電化學(xué)性能難以突破。近日，天津大學(xué)楊全紅團隊以“Redefining closed pores in carbons by solvation structures for enhanced sodium storage”為題在《Nature Communications》上發(fā)表了相關(guān)研究，其中應(yīng)用了QSense QCM-D技術(shù)揭示了閉孔結(jié)構(gòu)的溶劑化調(diào)控機制與硬碳負極的鈉存儲性能，取得重大進展。
研究方法
研究團隊以碳分子篩（CMS）為模型材料，通過高溫處理（800–1600°C）精確調(diào)控孔口尺寸（PMS），并系統(tǒng)分析了其對溶劑化結(jié)構(gòu)和SEI的影響：
- 孔口尺寸分類：
Group II（CMS-800/1000，孔口0.35–0.5 nm）：僅吸附CO₂。
Group III（CMS-1100/1300/1600，孔口<0.35 nm）：無法吸附N₂和CO₂。
- 關(guān)鍵表征技術(shù)：
拉曼光譜、FTIR、SAXS：分析溶劑化結(jié)構(gòu)、SEI成分及孔內(nèi)分布。
DFT計算：模擬不同缺陷結(jié)構(gòu)對鈉存儲的貢獻。
實驗結(jié)果與分析
- 孔口尺寸對SEI的影響：
Group II（CMS-800）：部分脫溶劑化，形成接觸離子對（CIPs），SEI仍含大量有機成分，ICE提升至61%。
Group III（CMS-1300）：孔口<0.35 nm時，大部分溶劑殼層被“篩除”，陰離子聚集體（AGGs）主導(dǎo)孔內(nèi)溶劑化結(jié)構(gòu)，生成無機富NaF的薄SEI，ICE高達91%，循環(huán)200次容量保持率95%。
- QCM-D的核心作用：
揭示SEI分層形成機制：CMS-1300在高電位區(qū)（1.4–0.87 V）優(yōu)先生成無機SEI，顯著抑制溶劑分解。
- 缺陷的“屏蔽效應(yīng)”：
結(jié)論與展望
- 閉孔新定義：孔口<0.35 nm（以CO₂為探針）是理想閉孔標(biāo)準(zhǔn)，可優(yōu)化SEI成分并激活缺陷的可逆儲鈉能力。
- 實際意義：為硬碳負極的工業(yè)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)，推動高能量密度、長壽命鈉離子電池發(fā)展。
- 未來方向：
精準(zhǔn)調(diào)控缺陷類型（如邊緣缺陷），進一步提升低電位容量。
基金支持
本研究由國家自然科學(xué)基金（52202278、22379109、U23B2077）、中國科協(xié)青年人才托舉工程（2022QNRC001）等資助。
原文鏈接
Nature Communications | 10.1038/s41467-025-59022-8
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