【摘要】 以生物质为原料制备的硬碳作为钠离子电池的阳极具有成本低、可持续性好等优点。

目前，电化学储能以其低污染、长寿命、高效等优点受到广泛关注。特别是锂离子电池(lithium-ion batteries, LIBs)得到了广泛的研究和开发，但与此同时，钴、铜、锂等原材料的价格也在快速上涨。因此，研究人员开始关注廉价且储量丰富的钠离子电池。

 

以生物质为原料制备的硬碳作为钠离子电池的阳极具有成本低、可持续性好等优点。在J. Kuai等人的工作中，筛选了三种不同的硬碳材料，分别来自相同粒径的竹子、木材和椰子壳，结合酸蚀和1200 ℃碳化，比较了钠离子存储性能。

 

从浙江旺林生物科技有限公司获得了竹子、木材和椰子壳三种碳前体。将生物材料在500℃的氮气中直接退火约10 h，然后采用相同的工艺进行研磨。碳前驱体的粒径相同，均在1.5 μm左右。然后，它们被用作前驱体，通过相同的程序，即蚀刻和碳化制备所需的硬碳样品。

 

在一个典型的程序中，8 g前驱体碳在100 ml 30 wt% HNO3中蚀刻，在80◦C下蚀刻24小时以去除杂质。冷却至室温后，用去离子水反复洗涤。然后，将样品在60℃下干燥12 h。随后，将得到的样品在管式炉中碳化2 h，加热速率为6℃min-1，氩气流量为30 ml min-1，碳化温度为1000℃，1200℃，1300℃和1400℃。

 

来源于竹子、木材和椰子壳的硬碳样品在本作品中分别被命名为Bam、wood和Coco。例如，经过不同温度处理的竹源硬碳样品分别表示为Bam-1000、Bam-1200、Bam-1300和Bam-1400，其中数字对应于碳化温度。具体制作过程如图1所示。

 

图1 材料制作过程

 

竹材阳极材料的比容量最高。随后，采用相同的工艺优化竹质硬碳，但将炭化温度从1000 ℃改为1400℃。采用图2的XRD谱图、拉曼光谱图和粒度分布曲线对不同温度下处理的硬碳材料进行表征。所有样品的XRD谱图均在24.3◦和43.1◦处出现两个宽峰，对应于非晶碳的(002)和(100)面衍射。这四个样本显示出相当的层间间距。

 

然而，(d002)的值从bam1000的0.392 nm下降到bam1400的0.381 nm，其趋势与之前的报道相似[34,35]。如Chou等[34]用煤沥青涂层制备硬碳，(d002)值随着温度从1200℃升高到1400℃而降低。Yang等[35]以蔗糖和酚醛树脂为前驱体合成硬碳材料，从1000℃到1600℃，(d002)值也随着温度的升高而降低。在较高的温度下，(002)平面的d-间距减小表明炭化过程逐渐发生。

图2 材料的性能测试

 

在硬碳材料中，1300℃下制备的竹源硬碳材料在电流密度为30 mA g-1时表现出优异的电化学性能，具有303.8 mAh/g的高可逆比容量和83.7%的初始库仑效率。经过150次循环，在300 mA g-1的电流密度下，容量保持率达到94.7%。这项研究为钠离子电池实现大规模储能提供了一种潜在的硬碳阳极，因为竹子的价格便宜。

 

[1] J. Kuai, J. Xie, J.D. Wang, J.Y. Chen, F. Liu, X.W. Xu, J. Tu, J.P. Cheng, Comparison and optimization of biomass-derived hard carbon as anode materials for sodium-ion batteries, Chemical Physics Letters, Volume 842, 2024, 141214.

 

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