硬碳作為最具發(fā)展?jié)摿Φ拟c離子電池負(fù)極材料備受研究人員關(guān)注，然而碳前軀體低產(chǎn)率和SEI膜的形成造成其高昂的價(jià)格和較低的首次庫(kù)倫效率，從而限制了應(yīng)用發(fā)展。

為解決上述問題，近日，中科院物理所清潔能源實(shí)驗(yàn)室的黃學(xué)杰課題組利用簡(jiǎn)單的碳化方法將資源豐富且廢棄的玉米棒生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蔡疾牧?，并作為鈉離子電池的負(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)了低成本和高首次庫(kù)倫效率。

圖1 HCC制備示意圖及SEM圖像

圖2 HCC-1000，HCC-1300，HCC-1600的高分辨率透射電鏡圖像

該硬碳材料(HCC)的制備工藝相當(dāng)簡(jiǎn)單——僅僅一步高溫碳化即可(熱處理溫度為1000℃、1300℃、1600℃，命名為HCC-1000，HCC-1300，HCC-1600，)，碳產(chǎn)率在21%左右，產(chǎn)物硬碳為不規(guī)則顆粒形態(tài)，尺寸分布在5-10μm之間。

該硬碳為無(wú)序碳，擁有高度無(wú)序結(jié)構(gòu)，且孔隙率很低，比表面積很小(以HCC-1300為例，比表面積僅為3.7m2/g)，限制了SEI膜的形成，與材料較高的首次庫(kù)倫效率密切相關(guān)。

圖3 半電池的電化學(xué)性能

組裝半電池測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)不同碳化溫度下的平臺(tái)容量和斜坡容量均有所不同，溫度越高，平臺(tái)容量越高而斜坡容量越低，可見碳化溫度對(duì)儲(chǔ)鈉性能和電化學(xué)行為有決定性影響。性能最好的HCC-1300可逆容量達(dá)298mAh/g(30mA/g的電流密度)，首次庫(kù)倫效率為86%，循環(huán)性能穩(wěn)定，倍率性能優(yōu)異。

圖4 全電池的電化學(xué)性能

此外，以HCC為負(fù)極，以Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2為正極組裝全電池，實(shí)現(xiàn)了207Wh/kg的高能量密度，600mA/g的電流密度下比容量達(dá)220mAh/g，且循環(huán)穩(wěn)定性良好。理想的性能、簡(jiǎn)單的制備過程、低廉的成本使得HCC成為有發(fā)展?jié)摿Φ拟c離子電池負(fù)極材料。

相關(guān)研究成果發(fā)表于JMCA DOI: 10.1039/c6ta04877c

Liu P, Li Y, Hu Y S, et al. A waste biomass derived hard carbonas a high-performance anode material for sodium-ion batteries[J]. Journal ofMaterials Chemistry A, 2016.