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淀粉也能成為電池？硬碳材料實現(xiàn)高性能鈉離子電池
2022年09月15日 13:26:56
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：6201
中國科學院山西煤化所陳成猛研究員帶領的科研團隊又對不同樣品進一步高溫炭化，制備了硬炭材料，也就是通過氧元素含量的變化實現(xiàn)了對最終產(chǎn)物——硬炭的微觀結構調控。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】高效廉價的規(guī)模儲能技術是發(fā)展風能、太陽能等可再生能源不可或缺的關鍵技術支撐。我國鈉資源豐富、成本低廉，并且鈉離子電池被認為是最適合規(guī)模儲能的新型二次電池，并且有望緩解因鋰資源短缺及分布不均所引起的儲能發(fā)展受限的問題，有著重要的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義，目前已成為當前國內外研究的熱點。
近兩年來，國家發(fā)改委、國家能源局相繼發(fā)布的《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》均提到，要研發(fā)鈉離子電池等新一代高性能儲能技術。工信部明確鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池作為推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石，是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的關鍵支撐。
最初研究鈉離子電池時，通常借鑒鋰離子電池的研究經(jīng)驗，鈉離子電池正極材料的研究得到快速發(fā)展，有望在新能源汽車、大規(guī)模儲能以及儲能電網(wǎng)等多個領域中得到應用。然而，由于鈉離子與石墨之間所形成的化合物的熱力學不穩(wěn)定性，鋰離子電池商業(yè)化的負極材料石墨無法直接應用于鈉離子電池中。因此，尋找合適的儲鈉負極材料顯得至關重要。
硬炭指的是難石墨化碳，這是一種通過熱解高分子聚合物、石油化工產(chǎn)品、生物質等得到的熱解碳。由于其前驅體中存在大量H、O、N等雜原子，阻礙了熱處理過程中結晶區(qū)域的形成，導致在2500℃以上的高溫下也很難石墨化。硬炭材料比容量高、結構穩(wěn)定、循環(huán)性能好，且制備工藝簡單、環(huán)境友好，是極具商業(yè)化前景的負極材料。
事實上，硬炭材料的性能不僅與制備方式有關，而且很大程度上取決于所用前驅體的性質。制備硬炭的前驅體一般具有熱固性的樹脂、聚合物以及生物質等。除碳以外，氧是眾多前驅體中存在最多的元素，并且在高溫熱解及炭化過程中不斷釋放。因此前驅體中氧含量的多少將會影響其熱解過程以及最終炭材料的微觀結構。研究前驅體分子結構如何影響熱解產(chǎn)物的收率和微觀結構參數(shù)，將會為優(yōu)化硬炭前驅體的選擇和制備條件提供指導。
中國科學院山西煤化所陳成猛研究員帶領的科研團隊根據(jù)這一設想，利用低溫氫氣還原策略對酯化淀粉原料進行預處理，通過改變反應溫度來調節(jié)反應產(chǎn)物前驅體中氧元素含量。隨后，他們又對不同樣品進一步高溫炭化，制備了硬炭材料，也就是通過氧元素含量的變化實現(xiàn)了對最終產(chǎn)物——硬炭的微觀結構調控。
同時，為了研究不同的氫氣還原反應溫度對最終材料結構的影響，科研人員選擇了多個還原溫度展開試驗，發(fā)現(xiàn)其作為鈉離子電池的負極材料時，樣品呈現(xiàn)出高達82.5%的首次庫倫效率(即半電池在首次充放電循環(huán)中，其充電與放電容量的比值)和369.8mAh/g的比容量(即電極材料容量與其質量的比值)，有力證實了氧元素含量對硬碳材料性能的影響。
該項工作是生物質基硬碳材料中一項重要的研究，拓展了研究員對生物質前驅體中氧含量變化與所對應衍生硬碳微觀結構的認識，為開發(fā)高容量兼高首次庫倫效率的硬碳材料提供了新的借鑒。
鈉離子電池因其生產(chǎn)成本低、安全性能高等優(yōu)勢，引起了學術界和工業(yè)界的廣泛關注和戰(zhàn)略布局。而硬炭憑借其自身低成本、低工作電勢、高的可逆儲鈉容量以及高的結構穩(wěn)定性等優(yōu)點，成為目前最有前景的鈉離子電池負極材料。我們可以相信，以硬碳作為負極的鈉離子電池將會走出實驗室進入人們的生活，并在低速汽車、大規(guī)模儲能以及智能電網(wǎng)等領域被廣泛應用開來。
(資料參考來源：太原日報、科技日報、中國能源報、百科等)
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