鋰離子電池具有高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車。然而，鋰的成本高、儲(chǔ)量有限，因此需要開發(fā)替代儲(chǔ)能系統(tǒng)，比如鈉離子電池(SIB)。

(圖片來源：釜山大學(xué))

鈉具有與鋰相似的物理化學(xué)性質(zhì)，而且能提供可持續(xù)性和成本效益。然而，鈉的離子較大，擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)緩慢，難以適應(yīng)商用碳負(fù)極中的碳微結(jié)構(gòu)，因此SIB負(fù)極存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和存儲(chǔ)性能差的問題。使用摻雜雜原子的碳質(zhì)材料，有望解決這些問題，但其制備過程復(fù)雜、昂貴和耗時(shí)。

據(jù)外媒報(bào)道，最近，由韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)(Pusan National University)的Seung Geol Lee教授負(fù)責(zé)的團(tuán)隊(duì)，使用喹吖啶酮(quinacridones)作為前體來制備碳質(zhì)SIB負(fù)極。諸如喹吖啶酮的有機(jī)染料擁有不同的結(jié)構(gòu)和功能團(tuán)，從而產(chǎn)生不同的熱分解行為和微結(jié)構(gòu)。當(dāng)用作儲(chǔ)能材料的前體時(shí)，熱解的喹吖啶酮可以極大地改變二次電池的性能。因此，可以通過控制有機(jī)染料前體的結(jié)構(gòu)來打造高效電池。

在這項(xiàng)研究中，研究人員重點(diǎn)關(guān)注2,9-二甲基喹吖啶酮(2,9-DMQA)。這種材料擁有平行分子填充結(jié)構(gòu)，在600°C下熱解時(shí)，可從淡紅色變成黑色，殘?zhí)柯矢哌_(dá)61%。研究人員接下來進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)分析，以描述潛在的熱解機(jī)制。

研究人員提出，甲基取代基在450°C時(shí)會(huì)分解產(chǎn)生自由基，從而形成多環(huán)芳烴。多環(huán)芳烴具有縱向生長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)，這是由平行堆積方向上的鍵橋而產(chǎn)生的。此外，2,9-DMQA中的含氮和含氧官能團(tuán)會(huì)釋放氣體，從而在微觀結(jié)構(gòu)中形成無序區(qū)域。相反，熱解未取代喹吖啶酮形成高度聚集的結(jié)構(gòu)。由此可以看出，形態(tài)發(fā)展受到前體晶體取向的極大影響。

此外，在600°C下熱解的2,9-DMQA，作為SIB負(fù)極表現(xiàn)出高倍率性能(在0.05 A/g時(shí)為290 mAh/g)和卓越的循環(huán)穩(wěn)定性(在5 A/g時(shí)為134 mAh/g，持續(xù)1000個(gè)循環(huán))。由于表面限制和層間距離增加，含氮和含氧基團(tuán)可進(jìn)一步提高電池存儲(chǔ)。

Lee教授表示：“諸如喹吖啶酮的有機(jī)染料，可用作鈉離子電池的負(fù)極材料，提供高效率，用于量產(chǎn)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。”