Scalable synthesis of nano-structured sulfur-doped petroleum coke with high-rate capability and long cyclability for sodium-ion batteries

阳极 材料科学 石油焦 碳化 纳米片 阴极 多孔性 电池(电) 碳纤维 工艺工程 焦炭 化学工程 扩散 纳米技术 电流密度 电化学 电极 电容感应 电容 工作(物理) 钾离子电池
作者
Yanlu Lv,Lin Yang,Yanjun Zhong
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:18 (4): 2144-2164
标识
DOI:10.1039/d5nr03656a
摘要

The practical application of carbon anode materials in sodium-ion batteries is limited by their poor rate capability and cycling stability. This study reports a simple and scalable strategy for preparing high-performance sulfur-doped porous carbon anodes from low-cost petroleum coke through a low-temperature pre-sulfurization and gradient carbonization process. The optimized S-PC-2 material features a unique three-dimensional porous nanosheet structure, expanded interlayer spacing (0.376 nm), and abundant C-S-C active sites. These sulfur-doping-induced synergistic properties significantly enhance Na+ diffusion kinetics and surface-induced capacitive storage. The S-PC-2 anode delivers a reversible capacity of 423.16 mAh g-1 at 0.5 A g-1 and maintains 90.2% capacity retention after 2000 cycles. Even at a high current density of 5 A g-1, it still achieves an excellent capacity of 263.92 mAh g-1. Kinetic analysis confirms its high pseudocapacitive contribution (78.0%) and rapid Na+ diffusion ability (DNa+ = 2.626 × 10-11 cm2 s-1). Furthermore, the full cell assembled with S-PC-2 anode and Na3V2(PO4)3 cathode demonstrates good cycling stability and rate capability. This work provides a cost-effective "sulfur doping-microstructure synergistic regulation" strategy for designing high-performance sodium-ion battery anodes, while opening a sustainable pathway for high-value utilization of petroleum coke.
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