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Mechanism of Na‐Ion Storage in Hard Carbon Anodes Revealed by Heteroatom Doping

材料科学 阳极 杂原子 石墨烯 兴奋剂 插层(化学) 化学工程 纳米技术 碳纤维 化学物理 无机化学 离子 复合材料 电极 光电子学 复合数 戒指(化学) 物理化学 化学 有机化学 工程类
作者
Zhifei Li,Clement Bommier,Zhi Sen Chong,Zelang Jian,T. Wesley Surta,Xingfeng Wang,Zhenyu Xing,Jöerg C. Neuefeind,William F. Stickle,Michelle Dolgos,P. Alex Greaney,Xiulei Ji
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:7 (18) 被引量:497
标识
DOI:10.1002/aenm.201602894
摘要

Hard carbon is the leading candidate anode for commercialization of Na‐ion batteries. Hard carbon has a unique local atomic structure, which is composed of nanodomains of layered rumpled sheets that have short‐range local order resembling graphene within each layer, but complete disorder along the c ‐axis between layers. A primary challenge holding back the development of Na‐ion batteries is that a complete understanding of the structure–capacity correlations of Na‐ion storage in hard carbon has remained elusive. This article presents two key discoveries: first, the characteristics of hard carbons structure can be modified systematically by heteroatom doping, and second, that these structural changes greatly affect Na‐ion storage properties, which reveals the mechanisms for Na storage in hard carbon. Specifically, via P or S doping, the interlayer spacing is dilated, which extends the low‐voltage plateau capacity, while increasing the defect concentrations with P or B doping leads to higher sloping sodiation capacity. The combined experimental studies and first principles calculations reveal that it is the Na‐ion‐defect binding that corresponds to the sloping capacity, while the Na intercalation between graphenic layers causes the low‐potential plateau capacity. The understanding suggests a new design principle of hard carbon anode: more reversibly binding defects and dilated turbostratic domains, given that the specific surface area is maintained low.
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