钠离子电池专题研究:钠电池负极从零到一,硬碳材料突出重围

无定形碳将取代传统石墨适配钠离子电池负极。

无定形碳将取代传统石墨适配钠离子电池负极。传统的石墨在钠离子电池中由于层间距太小以及无法与石墨形成热稳定的插层化合物而使应用受到相当大的限制。无定形碳包含硬碳和软碳:软碳的低有序度更有利于储钠,也拥有更便宜的前驱体成本;硬碳的复杂分子水平结构造就了其多种类型的储钠活性位点,优化改性后能超过锂电石墨的理论比容量。

硬碳 VS 石墨:更高比容量潜力。硬碳普遍比容量可以达到 300-350mAh/g,优化改性后可以达到 400mAh/g,将超过锂电石墨的理论比容量(372mAh/g)。硬碳具有更多的无序结构、更高的缺陷浓度、更高的杂原子含量和更大的石墨层之间的距离,以及更封闭的孔隙结构。这有利于为 Na+离子提供更多的储存点和扩散途径。

硬碳 VS 软碳:更优异的性能,更大的降本空间。硬碳通常是指经过高温处理(2800℃以上)也难以完全石墨化的碳,在高温下其无序结构难以消除,亦称难石墨化碳。软碳则与之相反,在高温下表现出石墨化的特点。硬碳相较软碳有更高的克容量、首效以及电位平稳性,但硬碳的经济性相对软碳略差,具有更大的降本空间。

前驱体:种类繁多,各有优劣。有机高分子类前驱体的分子结构相对简单、可控,能够根据需要设计相关的分子结构。酚醛树脂材料(RF)是目前研究较为成熟的有机聚合物,是一种优异的制备碳材料的前驱体;生物质类前驱体品种丰富,具有可持续使用、低成本的特点。将生物质转化为硬碳的方法很简单,如直接碳化、水热碳化(HTC)、物理或化学活化等。香蕉皮、泥炭苔、稻壳、棉花、葡萄糖、蛋白质和纤维素纳米晶体等生物质都可以被用作钠离子电池的负极材料,并显示出良好的电化学性能。

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