Natural Template-Driven Closed-Pore Engineering for Enhanced Sodium-Ion Storage

碳化 阳极 离子 化学工程 高原(数学) 吸附 碳纤维 体积热力学 化学 材料科学 纳米技术 工程类 有机化学 电极 复合材料 热力学 复合数 数学分析 物理 数学 物理化学
作者
Jiaao Chen,Cong Lei,Yong Xiao,Hang Hu,Yu Yang,Yeru Liang
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:41 (22): 14244-14254
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5c01327
摘要

The formation of closed pores in hard carbon (HC) anodes is crucial for enhancing the low-voltage plateau capacity in sodium-ion batteries. Examples for constructing closed pores exist, but there is a need for a simple, cost-effective approach and a deeper understanding of the relationship between closed-pore formation and open pores in precursors. Here, we present a natural template-driven strategy using bamboo as a sustainable precursor to address these challenges. Removing natural templates during pyrolysis at 800 °C generates open pores (0.5-1.7 nm), particularly those in the 0.5-0.7 nm range, which are critical for closed-pore formation during carbonization. Accordingly, we developed an HC material with a true density (1.67 g cm-3) and a high closed-pore volume of 0.16 cm3 g-1. The optimized HC demonstrates excellent sodium-ion storage performance, achieving a reversible capacity of 369 mA h g-1 and a plateau capacity of 275 mA h g-1 at 30 mA g-1, while retaining 303 mA h g-1 after 300 cycles at 1 A g-1. Mechanistic studies reveal that the high-voltage slope capacity arises from sodium adsorption at defect sites, whereas sodium clustering in closed pores drives the low-voltage plateau. This study offers a sustainable and scalable pathway for advancing HC anodes in sodium-ion batteries.
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