硬炭是一種鈉離子電池負(fù)極材料。它由各種前驅(qū)體包括糖類、聚合物以及生物質(zhì)等在高溫下炭化制備而成。硬炭的性能不僅與制備方式有關(guān)，而且很大程度上取決于所用前驅(qū)體的性質(zhì)。研究人員通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體中氧元素含量實(shí)現(xiàn)了對硬炭微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控。
你能想象嗎？通過化學(xué)反應(yīng)，淀粉或許可以成為電池的一部分。近日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，利用酯化改性后的淀粉，通過低溫氫氣還原和高溫碳化反應(yīng)制備了鈉離子電池負(fù)極材料——硬炭，相關(guān)論文發(fā)表于儲能領(lǐng)域頂級期刊《儲能材料》。
需要研發(fā)儲鈉效率更高且廉價(jià)穩(wěn)定的負(fù)極材料
當(dāng)下，鋰離子電池幾乎充斥了可充電電池市場。而我國目前用于制備鋰離子電池的鋰資源主要依賴于進(jìn)口，成本較高。與之相比，鈉資源分布廣泛，成本低，且鈉離子電池高低溫性能優(yōu)異，安全性也更加穩(wěn)定，因此鈉離子電池體系不斷得到關(guān)注。
陳成猛介紹，隨著鈉離子電池體系的不斷完善以及學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的積極互動，鈉離子電池有望在新能源汽車、大規(guī)模儲能以及儲能電網(wǎng)等多個領(lǐng)域中得到應(yīng)用，是一種很有市場前景的新技術(shù)。
而硬炭作為一種新型負(fù)極材料，被認(rèn)為是最具有商業(yè)化潛力的鈉離子電池負(fù)極材料。它由類石墨的微晶結(jié)構(gòu)和開口的角狀微晶組成，這種獨(dú)特的微晶結(jié)構(gòu)不僅可以提供豐富的儲鈉位點(diǎn)，而且其穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)以及較低的工作電勢同樣使它備受關(guān)注。
然而，科研人員發(fā)現(xiàn)鈉離子電池在實(shí)際應(yīng)用中存在一定阻礙，其中硬炭電極的比容量和首次庫倫效率普遍較低，嚴(yán)重限制了鈉離子電池整體電化學(xué)性能的發(fā)揮。因此需要研發(fā)儲鈉效率更高且廉價(jià)穩(wěn)定的負(fù)極材料。
為進(jìn)一步提高硬炭的儲鈉性能，普遍的解決方案是對硬炭表面進(jìn)行包覆、修飾、雜原子摻雜，或者高溫炭化來調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)。但制備方法的高能耗、高復(fù)雜性以及摻雜炭材料的高工作電勢需要進(jìn)一步優(yōu)化。
通過氧元素含量的變化實(shí)現(xiàn)對硬炭微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控
陳成猛介紹，硬炭是由各種前驅(qū)體包括糖類、聚合物以及生物質(zhì)等在高溫下炭化制備而成的。在研究過程中，陳成猛科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)硬炭的性能不僅與制備方式有關(guān)，而且很大程度上取決于所用前驅(qū)體的性質(zhì)。
“制備硬炭的前驅(qū)體一般是具有熱固性的樹脂、聚合物以及生物質(zhì)等。除碳以外，氧是眾多前驅(qū)體中存在最多的元素，并且在高溫?zé)峤饧疤炕^程中不斷被釋放。”因此，陳成猛表示，前驅(qū)體中氧含量的多少將會影響其熱解過程以及最終硬炭的微觀結(jié)構(gòu)。
根據(jù)這一設(shè)想，陳成猛科研團(tuán)隊(duì)利用低溫氫氣還原策略對酯化淀粉原料進(jìn)行預(yù)處理，通過改變反應(yīng)溫度來調(diào)節(jié)反應(yīng)產(chǎn)物前驅(qū)體中氧元素含量。隨后，他們又對不同反應(yīng)溫度下的樣品進(jìn)一步高溫炭化，制備了硬炭，也就是通過氧元素含量的變化實(shí)現(xiàn)了對最終產(chǎn)物——硬炭的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控。
為研究不同的氫氣還原反應(yīng)溫度對最終材料結(jié)構(gòu)的影響，科研人員選擇了多個還原溫度展開試驗(yàn)，有力證實(shí)了氧元素含量對硬炭性能的影響。
盡管目前的研究成果為后續(xù)進(jìn)行高性能硬炭的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)，但同時陳成猛也提到，硬炭受不同前驅(qū)體和制備條件的影響，其實(shí)際結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，很難構(gòu)建一個通用模型。
陳成猛表示，下一步團(tuán)隊(duì)還會從原材料出發(fā)，構(gòu)建硬炭的結(jié)構(gòu)模型，搭建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并針對特定應(yīng)用場景進(jìn)行硬炭的開發(fā)，例如高功率、超低溫以及高溫等。