Highly Sodiophilic, Defect‐Rich, Lignin‐Derived Skeletal Carbon Nanofiber Host for Sodium Metal Batteries

材料科学 阳极 法拉第效率 成核 化学工程 阴极 电解质 电化学 静电纺丝 纳米纤维 金属 纳米技术 复合材料 电极 冶金 聚合物 工程类 物理化学 有机化学 化学
作者
Nauman Mubarak,Faisal Rehman,Muhammad Ihsan‐Ul‐Haq,Mengyang Xu,Yang Li,Yunhe Zhao,Zhengtang Luo,Baoling Huang,Jang‐Kyo Kim
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (12) 被引量:93
标识
DOI:10.1002/aenm.202103904
摘要

Abstract Three‐dimensional host structures with superior sodiophilicity and low nucleation barriers can help combat the complex failure modes of Na metal anodes originating from accelerated dendrite formation, anodic corrosion, and electrolyte depletion. This work reports the fabrication of a unique super‐sodiophilic, defect‐rich and hierarchically porous skeletal carbon nanofiber (SCNF) host for SCNF@Na anodes using electrospinning of the low‐cost, renewable lignin biopolymer. The uniform nucleation and plating of Na effectuated by the hierarchically porous structure coupled with the defect‐induced formation of a resilient, F‐rich solid electrolyte interface (SEI) layer offers excellent protection to the metallic anode. The defect‐rich porous structure plays an important role in mediating dense Na nucleation, planar growth, and electrochemical stability according to the depth profiling experiments and density functional theory calculations. The SCNF@Na composite anode maintains high Coulombic efficiencies (CEs) and electrochemical reversibility in asymmetric and symmetric cells. The full cells prepared by interfacing the SCNF@Na anode with a Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 cathode delivers exceptional capacity retention of 106 mAh g –1 for 350 cycles with an average CE of 99.2% at 1C, and 103 mAh g –1 after 200 cycles at 4C. Such rationally designed carbon hosts derived from biopolymers open a new avenue for safe and low‐cost metal batteries.
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