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A facile graft-repair strategy: Subsurface Na2Sx heterostructures in hard carbon anodes for high-capacity and ultrafast sodium-ion storage

阳极 材料科学 异质结 电解质 法拉第效率 离子 X射线光电子能谱 煅烧 化学工程 纳米技术 光电子学 化学 催化作用 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Yanzhong Huang,Huachao Yang,Zhouwei Zheng,Pengpeng Chen,Runyi Zhou,Jianhua Yan,Kefa Cen,Zheng Bo,Kostya Ostrikov
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:221: 118922-118922 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2024.118922
摘要

Hard carbon (HC) anodes hold great promise for sodium-ion batteries (SIBs), yet they still suffer from insufficient rate capability and low initial coulombic efficiency (ICE). Herein, an innovative approach based on the synergistic graft-repair mechanism is proposed to create the multifunctional Na2Sx heterostructure within the subsurface of HC via a facile ball-milling and calcination method. This structure with specific disulfide bonds enlarges the carbon layer for fast ion transfer, offers extra S active sites to boost capacity, and catalytically reduces electrolytes to form an inorganic-dominated and thinner solid electrolyte interface (∼7.1 nm). The introduced Na+ ions compensate for the irreversible Na uptake at intrinsic defects and oxygen-containing groups. These effects are validated by GITT, EIS, Raman, and depth-profiling XPS measurements. The optimized hard carbon delivers an ultrahigh reversible capacity with superior ICE (514.8 mAh g−1 at 0.05 A g−1 with ICE of 84.1%) and excellent rate capability (87.5 mAh g−1 at 40 A g−1) simultaneously. DFT calculations reveal that the moderate S/Na ratio yields suitable adsorption energy, maintaining the balance of rate performance and ICE. The revealed mechanism of ion transport based on graft-repair effects contributes to boosting the key SIB performance indicators required for practical applications.
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