Elucidating Sodium Ion Storage Mechanisms in Hard Carbon Anodes at the Electronic Level

材料科学 离子 阳极 碳纤维 纳米技术 工程物理 冶金 物理化学 复合材料 有机化学 电极 化学 复合数 工程类
作者
Qingbing Xia,Cheng‐Lin Ko,Emily R. Cooper,Qinfen Gu,Ruth Knibbe,Jeffrey R. Harmer
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202421976
摘要

Abstract Sodium‐ion batteries (SIBs) are a promising technology for advanced energy storage systems. Hard carbon (HC) is a commonly used SIB anode material; however, the Na ion storage mechanism in HC remains poorly understood and highly debated. Here, the paramagnetic species in HC during Na ion storage are systematically studied to elucidate the underlying mechanism at an electronic level using high‐resolution electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, complemented by in situ Raman spectroscopy, in situ synchrotron X‐ray diffraction, and density functional theory calculations. This investigation identifies and characterizes the coexistence of two distinct intercalation processes in HC: Na ion intercalation and Na + ‐solvent co‐intercalation, which are active across both the sloping and plateau voltage regions. Additionally, in the sloping region, Na ions are also stored at in‐plane Stone‐Wales defect sites, which transition into a quasi‐metallic state and subsequently to metallic Na as Na ion intercalation progresses. This transformation is driven by charge redistribution within the graphene layers. These insights establish a direct paramagnetic‐electronic structure‐electrochemical property relationship in HC, providing new insights into the Na ion storage mechanism. Furthermore, this study highlights the unique capability of EPR spectroscopy in elucidating the charge storage mechanism in electrode materials.
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