研究人员开发出用于储能的高效钠离子电池阳极

气候变化是全球关注的重大问题。通过利用可再生能源和开发高效储能系统来减少碳排放已成为当务之急。锂离子电池具有高能量密度和长循环寿命，使其成为便携式电子产品和电动汽车不可或缺的材料。然而，锂的高成本和有限的供应需要开发替代储能系统。为此，研究人员建议将钠离子电池(SIB)作为可能的候选者。

除了具有与锂相似的物理化学性质外，钠还具有可持续性和成本效益。然而，它的离子很大，扩散动力学缓慢，阻碍了它们在商业化石墨阳极的碳微结构中的容纳。因此，SIB阳极存在结构不稳定和存储性能差的问题。在这方面，掺杂有杂原子的碳质材料显示出了希望。然而，它们的制备过程复杂、昂贵且耗时。

最近，由韩国釜山国立大学的SeungGeolLee教授领导的一组研究人员使用喹吖啶酮作为前体来制备碳质SIB阳极。“喹吖啶酮等有机颜料具有多种结构和官能团。因此，它们会产生不同的热分解行为和微观结构。当用作储能材料的前体时，热解的喹吖啶酮可以极大地改变二次电池的性能。因此，可以通过控制有机颜料前体的结构来实现高效电池，”李教授解释道。

他们的研究于2022年10月17日在线提供，并将于2023年2月1日发表在《化学工程杂志》上。

研究人员在他们的研究中专注于2,9-二甲基喹吖啶酮(2,9-DMQA)。2,9-DMQA具有平行分子堆积构型。在600°C下热解(热分解)后，2,9-DMQA从微红色变为黑色，炭化率高达61%。研究人员接下来进行了全面的实验分析，以描述潜在的热解机制。

他们提出，甲基取代基的分解在450°C时会产生自由基，从而形成多环芳烃，其具有纵向生长的微观结构，这是由于沿平行堆积方向的键桥而产生的。此外，2,9-DMQA中的含氮和含氧官能团会释放气体，从而在微观结构中形成无序区域。相反，热解未取代的喹吖啶酮形成高度聚集的结构。这表明形态发展受前体晶体取向的显着影响。

此外，在600°C下热解的2,9-DMQA作为SIB表现出高倍率性能(在0.05A/g下为290mAh/g)和出色的循环稳定性(在5A/g下为134mAh/g，持续1000个循环)阳极。含氮和含氧基团通过表面限制和层间距离增加进一步增强电池存储。

“有机颜料如喹吖啶酮可用作钠离子电池的阳极材料。鉴于高效率，它们将为大规模生产大规模储能系统提供有效策略，”李教授总结道。