随着电力设备的快速发展和可再生能源的大规模应用，锂离子电池（LIBs）作为一种重要的储能器件，已经成为电动汽车和便携式电子设备的主流电源。然而，可用锂资源的稀缺性和高价格阻碍了锂离子电池在大规模电能存储中的应用前景。钠离子电池（SIBs）由于成本相对较低且钠资源丰富，是下一代电池最有前景的替代品。石墨作为锂离子电池的商用负极，进一步发展受到相对低的比容量的阻碍，并且较差的倍率性能限制了其更广泛的应用。同时，石墨由于其有限的层间距离，在钠离子电池中无法很好地表现。近年来，研究者们开展了大量工作，探索更多替代石墨的碳基负极材料，以获得良好的循环性能和较大的比容量。例如，多孔碳、掺杂碳等。其中，氮掺杂碳在锂离子电池和钠离子电池中具有很大的潜力，因为氮掺杂不仅可以提高碳材料的表面润湿性，还可以通过产生额外的缺陷来加速电荷转移。然而，利用含氮前体后处理等传统的掺杂方法设计出氮含量高且分布均匀的碳材料仍然是一个挑战。
图1. PTA-NHCS-T作为LIBs负极材料的电化学性能: (a) PTA-NHCS-700的循环伏安曲线; (b) PTA-NHCS-700恒流充放电曲线; (c) PTA-NHCS-T在0.1 A g-1时的循环性能; (d) PTA-NHCS-700的倍率性能; (e) PTA-NHCS-700在5 A g-1时的循环性能。 图2. PTA-NHCS-T作为SIBs负极材料的电化学性能: (a) PTA-NHCS-700的循环伏安曲线; (b) PTA-NHCS-700恒流充放电曲线; (c) PTA-NHCS-T在0.1 A g-1时的循环性能; (d) PTA-NHCS-700的倍率性能; (e) PTA-NHCS-700在5 A g-1时的循环性能。 鉴于此，作者采用单宁酸(TA)为碳源与二乙烯三胺(DETA)设计了合理的席夫碱化学，合成了氮掺杂空心碳球(PTA-NHCS-700)。在锂离子电池 (5A g-1循环7000次后204.2mAh g-1)和钠离子电池(5A g-1循环10000次后154.2mAh g-1)中表现出优异的电化学性能。这是由于分级孔隙结构的空心碳球可以缩短离子和电子的扩散距离，有利于Li+和Na+的转运，促进反应动力学。独特的空心碳球可以缓冲PTA-NHCS-700电极在循环过程中的体积膨胀。其次，氮原子的掺杂增强了碳材料的正电荷密度，导致电负性增加，加速了电荷转移，并引入适当的缺陷/活性位点，提高了赝电容行为的贡献，总体上提高了碳材料的电化学性能。最后，氮掺杂碳的无序和短程石墨纳米畴结构可以改善Li+和Na+在碳材料中的插入/萃取行为，增加Li+和Na+的存储容量。本研究不仅为设计具有特殊形貌、快速存储的掺杂碳材料提供了一种具有商业潜力的策略，更重要的是，通过希夫碱化学的杂原子掺杂思想解决了传统掺杂策略的不足，为材料杂原子掺杂提供了新思路。 论文信息 Nitrogen-Doped Hollow Carbon Spheres Based on Schiff Base Reaction as an Anode Material for High-Performance Lithium and Sodium Ion Batteries Gang Huang, Qingquan Kong, Jianhao Jiang, Prof. Weitang Yao, Prof. Qingyuan Wang ChemSusChem DOI: 10.1002/cssc.202201310
