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纖維素以其豐富、可再生、低成本等優點，成為了一種極具發展前景的天然生物高分子材料。本文提出了一種利用纖維素納米纖維(CNFs)在微波輻照下制備鈉離子電池(SIBs)鈉化碳陽極的新方法，用于潛在的超高速和大規模制造。由于CNFs對微波的吸收較弱，通常不可能通過微波處理直接碳化CNFs，但研究發現少量還原氧化石墨烯(rGO)可以作為有效的引發劑。微波還原氧化石墨烯(rGO)釋放出極高的能量，導致局部超高溫和超高的升溫速率，從而致使CNFs快速碳化，并在幾秒鐘內產生鈉化碳質材料。碳質材料中的鈉是由含鈉離子羧基的CNFs碳化引入的，它為鈉離子插入碳質陽極的嵌鈉/脫鈉提供了良好的空間，從而提高了鈉離子插入碳質陽極的電化學性能。當微波化的 rGO-CNF (MrGO-CNF)被用作SIBs的陽極時，可提供558 mAh g−1的高初始容量，并在200次循環后仍保持340 mAh g−1的容量。良好的可逆性和循環穩定性表明，MrGO-CNF是鈉離子電池的理想陽極。
Figure 1. MrGO-CNF合成工藝示意圖。
Figure 2. (a,b) GO-CNF)和(d,e) MrGO-CNF的SEM圖。(c) GO-CNF和(f) MrGO-CNF的TEM圖。(g) MrGO-CNF的元素映射。
Figure 3. (a) GO-CNF、rGO-CNF和MrGO-CNF的XRD圖。(b) MrGO-CNF的拉曼光譜。(c) MrGO-CNF的2D峰值。 MrGO-CNF的(d) FT-IR圖和e)隔離FT-IR圖。(f) MrGO-CNF的N2吸附-解吸等溫曲線。
Figure 4. GO-CNF、rGO-CNF和MrGO-CNF的XPS詳細分析。(a)XPS。(b)碳、氧和(c)鈉的原子含量。(d) C-CNF、(e) rGO-CNF和(f) MrGO-CNF的C 1sXPS譜。(g) GO-CN還原和微波的示意圖。
Figure 5. MrGO-CNF陽極的鈉離子半電池。(a) MrGO-CNF在掃描速率為0.1 mV s−1時的CV曲線。(b)電流密度為100 mA g−1時，電位范圍為0.001-2.5 V，MrGO-CNF的第1、2和25個周期的恒流嵌鈉/脫鈉曲線。(c) MrGO-CNF(紅線)和硬質碳(灰線)的充放電循環性能。(d)電流密度為100 mA g−1時，MrGO-CNF的充放電循環性能。(e) MrGO-CNF的倍率性能。(f) MrGO-CNF的Nyquist圖及其等效電路。
相關研究成果于2019年由同濟大學Jia Huang課題組，發表在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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