硬炭是一种钠离子电池负极材料。它由各种前驱体包括糖类、聚合物以及生物质等在高温下炭化制备而成。硬炭的性能不仅与制备方式有关，而且很大程度上取决于所用前驱体的性质。研究人员通过调节前驱体中氧元素含量实现了对硬炭微观结构的调控。
通讯员 郜 蓉 实习记者 韩 荣
你能想象吗？通过化学反应，淀粉或许可以成为电池的一部分。近日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员带领的科研团队，利用酯化改性后的淀粉，通过低温氢气还原和高温碳化反应制备了钠离子电池负极材料——硬炭，相关论文发表于储能领域顶级期刊《储能材料》。
需要研发储钠效率更高且廉价稳定的负极材料
当下，锂离子电池几乎充斥了可充电电池市场。而我国目前用于制备锂离子电池的锂资源主要依赖于进口，成本较高。与之相比，钠资源分布广泛，成本低，且钠离子电池高低温性能优异，安全性也更加稳定，因此钠离子电池体系不断得到关注。
陈成猛介绍，随着钠离子电池体系的不断完善以及学术界和产业界的积极互动，钠离子电池有望在新能源汽车、大规模储能以及储能电网等多个领域中得到应用，是一种很有市场前景的新技术。
而硬炭作为一种新型负极材料，被认为是最具有商业化潜力的钠离子电池负极材料。它由类石墨的微晶结构和开口的角状微晶组成，这种独特的微晶结构不仅可以提供丰富的储钠位点，而且其稳定的骨架结构以及较低的工作电势同样使它备受关注。
然而，科研人员发现钠离子电池在实际应用中存在一定阻碍，其中硬炭电极的比容量和首次库伦效率普遍较低，严重限制了钠离子电池整体电化学性能的发挥。因此需要研发储钠效率更高且廉价稳定的负极材料。
为进一步提高硬炭的储钠性能，普遍的解决方案是对硬炭表面进行包覆、修饰、杂原子掺杂，或者高温炭化来调控其微观结构。但制备方法的高能耗、高复杂性以及掺杂炭材料的高工作电势需要进一步优化。
通过氧元素含量的变化实现对硬炭微观结构调控
陈成猛介绍，硬炭是由各种前驱体包括糖类、聚合物以及生物质等在高温下炭化制备而成的。在研究过程中，陈成猛科研团队发现硬炭的性能不仅与制备方式有关，而且很大程度上取决于所用前驱体的性质。
“制备硬炭的前驱体一般是具有热固性的树脂、聚合物以及生物质等。除碳以外，氧是众多前驱体中存在最多的元素，并且在高温热解及炭化过程中不断被释放。”因此，陈成猛表示，前驱体中氧含量的多少将会影响其热解过程以及最终硬炭的微观结构。
根据这一设想，陈成猛科研团队利用低温氢气还原策略对酯化淀粉原料进行预处理，通过改变反应温度来调节反应产物前驱体中氧元素含量。随后，他们又对不同反应温度下的样品进一步高温炭化，制备了硬炭，也就是通过氧元素含量的变化实现了对最终产物——硬炭的微观结构调控。
为研究不同的氢气还原反应温度对最终材料结构的影响，科研人员选择了多个还原温度展开试验，有力证实了氧元素含量对硬炭性能的影响。
尽管目前的研究成果为后续进行高性能硬炭的开发奠定了良好的基础，但同时陈成猛也提到，硬炭受不同前驱体和制备条件的影响，其实际结构十分复杂，很难构建一个通用模型。
陈成猛表示，下一步团队还会从原材料出发，构建硬炭的结构模型，搭建相应的数据库，并针对特定应用场景进行硬炭的开发，例如高功率、超低温以及高温等。
科技日报2022年10月13日第06版
来源：科技日报
