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大連化學(xué)物理研究所太陽能研究部(DNL16)李燦院[詳細]
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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：6253
中國科學(xué)院山西煤化所陳成猛研究員帶領(lǐng)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(jié)構(gòu)調(diào)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(shù)是發(fā)展風(fēng)能、太陽能等可再生能源不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)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(nèi)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(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》《“十四五”能源領(lǐng)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(shù)。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(guān)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(lǐng)域中得到應(yīng)用。然而，由于鈉離子與石墨之間所形成的化合物的熱力學(xué)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(yīng)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(guān)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(zhì)等得到的熱解碳。由于其前驅(qū)體中存在大量H、O、N等雜原子，阻礙了熱處理過程中結(jié)晶區(qū)域的形成，導(dǎo)致在2500℃以上的高溫下也很難石墨化。硬炭材料比容量高、結(jié)構(gòu)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(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^程中不斷釋放。因此前驅(qū)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(jié)構(gòu)。研究前驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)如何影響熱解產(chǎn)物的收率和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，將會為優(yōu)化硬炭前驅(qū)體的選擇和制備條件提供指導(dǎo)。
中國科學(xué)院山西煤化所陳成猛研究員帶領(lǐng)的科研團隊根據(jù)這一設(shè)想，利用低溫氫氣還原策略對酯化淀粉原料進行預(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(jié)構(gòu)調(diào)控。
同時，為了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，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(zhì)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(zhì)基硬碳材料中一項重要的研究，拓展了研究員對生物質(zhì)前驅(qū)體中氧含量變化與所對應(yīng)衍生硬碳微觀結(jié)構(gòu)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(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域被廣泛應(yīng)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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