硬炭是一種鈉離子電池負極材料。它由各種前驅體包括糖類(lèi)、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體的性質(zhì)。研究人員通過(guò)調節前驅體中氧元素含量實(shí)現了對硬炭微觀(guān)結構的調控。

你能想象嗎？通過(guò)化學(xué)反應，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)的科研團隊，利用酯化改性后的淀粉，通過(guò)低溫氫氣還原和高溫碳化反應制備了鈉離子電池負極材料——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)穩定的負極材料

當下，鋰離子電池幾乎充斥了可充電電池市場(chǎng)。而我國目前用于制備鋰離子電池的鋰資源主要依賴(lài)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，安全性也更加穩定，因此鈉離子電池體系不斷得到關(guān)注。

陳成猛介紹，隨著(zhù)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(dòng)，鈉離子電池有望在新能源汽車(chē)、大規模儲能以及儲能電網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域中得到應用，是一種很有市場(chǎng)前景的新技術(shù)。

而硬炭作為一種新型負極材料，被認為是最具有商業(yè)化潛力的鈉離子電池負極材料。它由類(lèi)石墨的微晶結構和開(kāi)口的角狀微晶組成，這種獨特的微晶結構不僅可以提供豐富的儲鈉位點(diǎn)，而且其穩定的骨架結構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)現鈉離子電池在實(shí)際應用中存在一定阻礙，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)穩定的負極材料。

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(lái)調控其微觀(guān)結構。但制備方法的高能耗、高復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(guò)氧元素含量的變化實(shí)現對硬炭微觀(guān)結構調控

陳成猛介紹，硬炭是由各種前驅體包括糖類(lèi)、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(guò)程中，陳成猛科研團隊發(fā)現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體的性質(zhì)。

“制備硬炭的前驅體一般是具有熱固性的樹(shù)脂、聚合物以及生物質(zhì)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(guò)程中不斷被釋放。”因此，陳成猛表示，前驅體中氧含量的多少將會(huì )影響其熱解過(guò)程以及最終硬炭的微觀(guān)結構。

根據這一設想，陳成猛科研團隊利用低溫氫氣還原策略對酯化淀粉原料進(jìn)行預處理，通過(guò)改變反應溫度來(lái)調節反應產(chǎn)物前驅體中氧元素含量。隨后，他們又對不同反應溫度下的樣品進(jìn)一步高溫炭化，制備了硬炭，也就是通過(guò)氧元素含量的變化實(shí)現了對最終產(chǎn)物——硬炭的微觀(guān)結構調控。

為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(gè)還原溫度展開(kāi)試驗，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進(jìn)行高性能硬炭的開(kāi)發(fā)奠定了良好的基礎，但同時(shí)陳成猛也提到，硬炭受不同前驅體和制備條件的影響，其實(shí)際結構十分復雜，很難構建一個(gè)通用模型。

陳成猛表示，下一步團隊還會(huì )從原材料出發(fā)，構建硬炭的結構模型，搭建相應的數據庫，并針對特定應用場(chǎng)景進(jìn)行硬炭的開(kāi)發(fā)，例如高功率、超低溫以及高溫等。