同济大学Jia Huang课题组–通过石墨烯引发剂快速微波碳化天然纤维素纳米纤维制备高性能钠离子电池阳极

纤维素以其丰富、可再生、低成本等优点，成为了一种极具发展前景的天然生物高分子材料。本文提出了一种利用纤维素纳米纤维(CNFs)在微波辐照下制备钠离子电池(SIBs)钠化碳阳极的新方法，用于潜在的超高速和大规模制造。由于CNFs对微波的吸收较弱，通常不可能通过微波处理直接碳化CNFs，但研究发现少量还原氧化石墨烯(rGO)可以作为有效的引发剂。微波还原氧化石墨烯(rGO)释放出极高的能量，导致局部超高温和超高的升温速率，从而致使CNFs快速碳化，并在几秒钟内产生钠化碳质材料。碳质材料中的钠是由含钠离子羧基的CNFs碳化引入的，它为钠离子插入碳质阳极的嵌钠/脱钠提供了良好的空间，从而提高了钠离子插入碳质阳极的电化学性能。当微波化的 rGO-CNF (MrGO-CNF)被用作SIBs的阳极时，可提供558 mAh g⁻¹的高初始容量，并在200次循环后仍保持340 mAh g⁻¹的容量。良好的可逆性和循环稳定性表明，MrGO-CNF是钠离子电池的理想阳极。

Figure 1. MrGO-CNF合成工艺示意图。

Figure 2. (a,b) GO-CNF)和(d,e) MrGO-CNF的SEM图。(c) GO-CNF和(f) MrGO-CNF的TEM图。(g) MrGO-CNF的元素映射。

Figure 3. (a) GO-CNF、rGO-CNF和MrGO-CNF的XRD图。(b) MrGO-CNF的拉曼光谱。(c) MrGO-CNF的2D峰值。 MrGO-CNF的(d) FT-IR图和e)隔离FT-IR图。(f) MrGO-CNF的N₂吸附-解吸等温曲线。

Figure 4. GO-CNF、rGO-CNF和MrGO-CNF的XPS详细分析。(a)XPS。(b)碳、氧和(c)钠的原子含量。(d) C-CNF、(e) rGO-CNF和(f) MrGO-CNF的C 1sXPS谱。(g) GO-CN还原和微波的示意图。

Figure 5. MrGO-CNF阳极的钠离子半电池。(a) MrGO-CNF在扫描速率为0.1 mV s⁻¹时的CV曲线。(b)电流密度为100 mA g⁻¹时，电位范围为0.001-2.5 V，MrGO-CNF的第1、2和25个周期的恒流嵌钠/脱钠曲线。(c) MrGO-CNF(红线)和硬质碳(灰线)的充放电循环性能。(d)电流密度为100 mA g⁻¹时，MrGO-CNF的充放电循环性能。(e) MrGO-CNF的倍率性能。(f) MrGO-CNF的Nyquist图及其等效电路。

相关研究成果于2019年由同济大学Jia Huang课题组，发表在Small ( https://doi.org/10.1002/smll.201901724)上。原文：High-Performance Sodium-Ion Battery Anode via Rapid Microwave Carbonization of Natural Cellulose Nanofibers with Graphene Initiator

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