近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孫克寧團隊在高倍率、長循環(huán)鈉離子電池負極研究方面取得新的研究進展。通過構(gòu)建介孔中空結(jié)構(gòu)并采用雜原子調(diào)控碳層間距，獲得了具有較高倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性的碳負極材料。該研究成果以《Heteroatom-DopedMesoporousHollowCarbonSpheresforFastSodiumStoragewithanUltralongCycleLife》為題在線發(fā)表在國際能源類頂級期刊《AdvancedEnergyMaterials》（《先進能源材料》，影響因子21.8）。本文的通訊作者為孫克寧教授及孫旺特別副研究員，第一作者為北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生倪丹。

鈉離子電池與鋰離子電池相比具有資源豐富，價格低廉的優(yōu)勢，可以作為新一代儲能電池?？紤]到儲能電池應(yīng)用環(huán)境中可再生能源的間歇性及波動性，以及儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性，開發(fā)高倍率、長循環(huán)性能的電極材料是鈉離子電池應(yīng)用中亟待解決的問題。碳負極材料由于其低成本及環(huán)境友好性，有較高的商業(yè)化前景。然而，在充放電過程中，由于鈉離子的離子半徑較大，會造成離子擴散速率緩慢，還會產(chǎn)生較大的電極體積變化，導(dǎo)致電池的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性差，制約了碳材料的實際應(yīng)用。為了實現(xiàn)鈉離子電池的高倍率、長循環(huán)性能，需要碳電極材料具有快速的電子與離子傳導(dǎo)能力，并保證充放電后電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；為了半徑較大的鈉離子快速擴散，需要對碳層間距進行調(diào)控。

基于以上材料設(shè)計思路，孫克寧團隊基于聚多巴胺表面涂覆技術(shù)及雜原子摻雜碳結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，制備了鈉離子電池負極材料——硫氮共摻雜的介孔中空碳球（SN-MHCSs），并對其儲鈉機制及循環(huán)后碳結(jié)構(gòu)變化進行了分析。該研究表明：1.薄壁中空球形結(jié)構(gòu)，有利于離子和電子傳導(dǎo)，能夠緩沖充放電過程中的體積變化，碳球表面的介孔結(jié)構(gòu)，能夠促進電解液的擴散及碳球內(nèi)表面的利用，較高的比表面積可以確保表面電容過程控制的快速鈉儲存。2.雜原子摻雜，能夠增大碳層層間距，促進鈉離子的擴散及存儲，增加電子導(dǎo)電性，提升容量。3.循環(huán)過程中，鈉離子的嵌入脫出能夠擴大碳層間距，使碳層排布更加整齊，促進鈉離子及電子的傳輸，帶來循環(huán)后電極容量上升。

本研究為高倍率、長循環(huán)鈉離子電池負極材料的發(fā)展提供了新思路，這種結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用于其他需要快速電子/離子傳輸、長期循環(huán)穩(wěn)定性的能源體系中。