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Hard carbon with embedded graphitic nanofibers for fast-charge sodium-ion batteries

材料科学 阳极 离子 碳纳米纤维 碳纤维 储能 扩散 纳米纤维 纳米技术 碳化 化学工程 电极 复合材料 碳纳米管 扫描电子显微镜 复合数 有机化学 量子力学 工程类 物理 化学 功率(物理) 物理化学 热力学
作者
Ke Wang,Mengjun Li,Zhu Zhu,Wei Ai,Han Wu,Bing‐Wu Wang,Pan He,Dong Xie,Jinsong Wu,Wei Huang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:124: 109459-109459 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109459
摘要

The development of fast-charging sodium-ion batteries need the anode to have a high rate capacity with a long and reversible charging plateau at low voltage (<0.1 V). Hard carbons are extensively investigated as the anodes for sodium-ion batteries, but slow charge-transfer kinetics and low reversible capacity at low potential region are still major obstacles for their practical applications. Herein, we develop a facile strategy via in-situ carbonization of the cross-linking network of bacterial cellulose and resin to synthesize hard carbons with intrinsically embedded graphitic nanofibers. The nanostructured hard carbons anodes have a reversible capacity of 345 mAh g-1 and an ultra-large low-voltage plateau capacity of 165.5 mAh g-1 (72.7% of the reversible capacity) at 2 A g-1. Kinetics and mechanism studies reveal that the embedded graphitic nanofibers greatly boost the charge transfer and ionic diffusion, i.e. the Na+ diffusion coefficient at the plateau region can be readily improved from ≈10-10.2 to ≈10-9.0 cm2 s-1. Evidence from in/ex-situ transmission electron microscopy (TEM) demonstrates that the graphic nanofibers, with an expanded interlayer spacing, provide sufficient diffusion channels for Na+ ions' migration and storage. Full-cell sodium-ion batteries using the nanostructured hard carbon as anodes achieve superior fast-charge capability, showing great potential applications of the nanostructured hard carbon in the low-cost and environmentally friendly energy storage devices.
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