ZIF-8衍生碳的结构对钠离子存储行为的影响

研究简介

由于钠资源丰富且成本低廉，钠离子电池(SIB)已成为锂离子电池的有力替代品。然而，钠离子相对较大的离子半径阻碍了其嵌入传统石墨负极，因此亟需开发先进的负极材料。本研究以ZIF-8为前驱体，通过在不同温度下进行可控碳化，合成了高性能硬碳材料。其中，在800°C碳化的ZIF-800样品表现出最高的可逆容量（在100mA/g电流密度下循环100次后容量达到156.63mAh/g）和优异的循环稳定性。这种优异的性能归功于高比表面积（700.35m2/g）、发达的孔结构和更高的缺陷浓度（以较低的内孔径/内孔径比为特征）的优化组合。以电容为主导的电荷存储行为进一步提高了电化学性能。这些发现强调了调节碳化温度以实现平衡微观结构的关键作用，为合理设计SIB的高性能硬碳阳极提供了宝贵的见解。

图文导读

图1. a合成的ZIF-8和ZIF-8衍生碳的合成过程示意图。bZIF-8、cZIF-600、dZIF-800和eZIF-1000的FE-SEM图。

图2.aZIF-8的XRD谱图的Rietveld精修。bZIF-600、ZIF-800和ZIF-1000的XRD。cZIF-600、ZIF-800和ZIF-1000的氮吸附-解吸等温线.d由氮吸附-解吸等温线得到的ZIF-600、ZIF-800和ZIF-1000的BET表面积和总孔体积

图3. aZIF-600、bZIF-800和cZIF-1000电极在100mA/g下的恒电流充电/放电曲线。dZIF-600、800和1000在相同电流密度下的循环寿命性能。

图4. aZIF-600、cZIF-800和eZIF-1000电极在不同扫描速率(0.1-5.0mV/s)下的循环伏安曲线。bZIF-600、dZIF-800和fZIF-1000的电容贡献分析。

图5. aZIF-600和bZIF-800电极在不同充放电状态下采集的非原位拉曼光谱。cZIF-600和dZIF-800电极各自的电压曲线，其中每个拉曼光谱对应于用相同颜色点标记的电压点。在非原位拉曼光谱中，图中标出了D、G和Na-C峰。原始eZIF-600和fZIF-800的拉曼光谱及其通过洛伦兹拟合获得的解卷积峰。

研究结论

本研究通过在不同温度下碳化ZIF-8前驱体，成功合成了用于钠离子电池负极的硬碳材料,并研究了其物理性质与电化学性能之间的关系。在制备的样品中,ZIF-800表现出最高的容量,100次循环后仍保持156.63mAh/g，且具有良好的循环稳定性。相反，在较低温度下合成的ZIF-600和在较高温度下处理的ZIF-1000表现出相对较低性能。这种性能差异与材料的结构特征密切相关.

ZIF-800具有较高的比表面积(700.35m²/g)，并具有发达的孔结构，这为电极和电解质之间提供了广阔的反应界面。结合电化学分析结果，非原位拉曼光谱提供了关键的见解：ZIF-8衍生的硬碳阳极材料的性能不仅可以通过最大化表面积来最大化，而且可以通过适当的碳化温度在高缺陷浓度、优化的孔隙结构和扩大的层间距之间实现平衡。