中國粉體網(wǎng)訊 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)的科研團隊,，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穩(wěn)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。而我國目前用于制備鋰離子電池的鋰資源主要依賴于進口,，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。它由類石墨的微晶結(jié)構(gòu)和開口的角狀微晶組成,，這種獨特的微晶結(jié)構(gòu)不僅可以提供豐富的儲鈉位點,，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穩(wěn)定的負極材料。
為進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一步優(yōu)化,。
通過氧元素含量的變化實現(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，陳成猛科研團隊發(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�,！币虼耍惓擅捅硎�,，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,，陳成猛科研團隊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,，他們又對不同反應(yīng)溫度下的樣品進一步高溫炭化，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,，有力證實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，下一步團隊還會從原材料出發(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)用場景進行硬炭的開發(fā),，例如高功率、超低溫以及高溫等,。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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