分级结构氮掺杂碳纳米笼:高倍率长寿命可充电镁电池正极材料

可充电镁电池成本低、安全性好,是非常有前景的下一代二次电池,其关键之一是开发高性能的正极材料.本工作首次利用分级结构氮掺杂碳纳米笼（hNCNC）作为可充电镁电池的正极材料,展现出高放电比容量（71 mAh·g^-1@100 mA·g^-1）、优异的倍率性能（60 mAh·g^-1@2000 mA·g^-1）和长循环稳定性（1000圈容量保留率83%@1000 mA·g^-1）.hNCNC呈现电容行为主导的储镁机制,理论研究表明镁离子主要吸附在微孔边缘的碳原子、吡啶氮或吡咯氮等活性位点上.其优异储镁性能可归因于：（1） hNCNC的大比表面积（1590 m²·g^-1）、丰富微孔缺陷和高吡啶/吡咯氮含量（4.49 at.%）有效提升了储镁容量;（2） hNCNC的高导电性、多级孔道结构及N掺杂导致的高浸润性有利于电荷传输,降低了电池的等效串联电阻,从而改善了倍率性能;（3） hNCNC的稳定碳骨架结构及其表面吸附储镁机制使其具有优异的长循环稳定性.     

可溶性氧化-还原介质促进分级结构碳纳米笼的锂氧电池性能

锂氧（Li-O₂）电池因具有超高的理论能量密度而受到人们的关注,但仍面临实际比容量较低、过电势较高和循环稳定性较差等挑战.以具有高比表面积、分级孔结构、丰富缺陷和高电导率等特征的3D分级结构碳纳米笼（hCNC,hierarchical carbon nanocages）为正极材料,构建出具有高放电容量（14080 mAh·g^-1）和良好循环稳定性的Li-O₂电池;当在电解质中添加可溶性乙酰丙酮亚铁（Fe（acac）₂）氧化-还原介质后,其放电容量、倍率性能和良好循环稳定性显著提升,过电势明显下降,如完全放电容量可达23560 mAh·g^-1（XC-72的7.82倍）,在0.5 A·g^-1电流密度和800 mAh·g^-1截止比容量下可稳定循环138圈（远高于未加Fe（acac）₂的68圈和XC-72的13圈）,在5.0 A·g^-1高电流密度下仍可稳定循环63圈（远高于未加Fe（acac）₂的21圈）.优异的电化学性能可归因于：hCNC的特征结构能有效地促进电子传输和2Li⁺+O₂+2e^-⇆Li₂O₂（s）的可逆转化,为放电产物Li₂O₂提供足够分散和容纳空间;可溶性氧化-还原介质Fe（acac）₂能有效地催化Li₂O₂放电产物形成均匀分散的小尺寸颗粒堆积多孔形貌和随后的充电分解,进而降低过电势和提升电池的循环稳定性.本研究提供了通过设计新型碳基正极材料和添加高效可溶性氧化-还原介质提高锂氧电池性能的新思路.