Kern‑Schale: Versiegelung nanoporöser Partikel mit semipermeablen Kohlenstoffschichten befreit Hartkohlenstoffanoden von ihrem Dilemma

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wird eine Kern‐Schale‐Strategie vorgestellt, die das grundlegende Problem gängiger nichtgraphitischer Hartkohlenstoff‐Anoden adressiert: Hohe reversible Kapazitäten gehen bislang typischerweise mit erheblichen irreversiblen Verlusten in den ersten Zyklen einher. Analog zu Graphit, das sowohl Lithiumspeicherung als auch die Abtrennung von Elektrolytlösungsmitteln in einer homogenen Struktur vereint, zeigen wir, dass sich diese beiden Funktionen auch in nichtgraphitischen Kohlenstoffen gezielt in einer heterogenen Architektur kombinieren lassen. Hochporöse Aktivkohlen werden durch kinetisch kontrollierte Gasphasenabscheidung mit einer dünnen Schicht nichtgraphitischen Kohlenstoffs überzogen, sodass eine funktionale Kern‐Schale‐Struktur entsteht. Gasadsorptionsmessungen an Kern‐, Schalen‐, Kern‐Schale‐ und mechanisch beschädigte Kern‐Schale‐Partikeln, bestätigen, dass die Porosität des Kerns erhalten bleibt und die Schale semipermeabel ist. Die Sorption von Diethylcarbonat wird als geeignetere Methode im Vergleich zu N 2 ‐ oder CO 2 ‐Sorptionsmessungen eingeführt, um die irreversiblen Verluste des ersten Zyklus mit der tatsächlichen Flüssig‐Fest‐Grenzfläche von Kohlenstoffanoden zu verknüpfen. Die funktionalen Kern‐Schale‐Partikel zeigen eine stark reduzierte Aufnahme von Diethylcarbonat, was hohe reversible Kapazitäten bei deutlich geringeren Erstzyklusverlusten ermöglicht. Bei einer reversiblen Kapazität von 400 ± 24 mAh g − 1 und einer initialen Coulombeffizienz von 82 ± 2% zeigt sich, dass die dreistufige Natriumspeicherung in der gezielt entwickelten Kern‐Schale‐Architektur den größeren Ionenradius von Natrium gegenüber Lithium (372 mAh g − 1 in Graphit) kompensieren kann. Die entwickelten Kern‐Schale‐Anoden erreichen damit ein Leistungsniveau, das für eine kommerzielle Anwendung vielversprechend ist.