季华实验室测试中心

       在过去十年中，储能领域已经逐渐进入后锂电时代，其标志便是钠离子电池的复兴。锂资源的匮乏以及全球分布严重不均的问题，使得钠离子电池技术的研究逐渐回到了科研界的视野。而锂离子电池技术领域研究的经验积累，促进了其快速发展。
       在实际应用中，碳基材料依旧是最有潜力的钠离子电池负极材料。碳基材料具有原材料来源广泛，价格合适，产业化路线成熟，批次稳定性好等优点，石墨是在锂离子电池中应用最为广泛的负极材料，但是由于钠离子与石墨层存在晶格匹配问题，导致其几乎不可能用于钠离子电池中的可逆储钠反应，其容量几乎为零。尽管有研究发现，利用醚类溶剂的共嵌入反应，可以使石墨表现出一定的可逆容量，但其容量不到100 mAh/g，很难得到实际应用。
       季华实验室谭军团队与中南大学合作，选择了一种优良的主体微晶石墨（MG），通过在石墨层间插入具有转换反应的氯化铝小分子，制备了金属氯化物插层石墨插层化合物（MC-GIC），大幅度提高石墨的储钠性能，提供了接近400 mAh/g的理论容量。结构分析表明，碳负极电化学性能的显著提升，是由于氯化铝插层有效拓宽了碳层间距并增强了钠离子的反应动力学，引入了大量储钠活性位点。电化学分析表明，石墨层间化合物负极还具有优异的倍率特性，在200 mA/g条件下，其可逆容量可高达202 mAh/g，并且在0.5 A/g电流密度下循环900周次后容量依旧保持在198 mAh/g，这远超过目前绝大多数石墨材料的储钠性能。密度泛函理论计算进一步表明，二甲醚溶剂分子为钠离子提供中等的吸附能，从而保证GIC在重复循环过程中的结构稳定。这项工作为设计具有石墨层状结构的钠离子存储器以及揭示MC-GIC材料作为高性能阳极的前景提供了理论依据。

图1：石墨载体与氯化铝-石墨层间化合物