當前位置: 首頁 » 碳業資訊 » 碳業焦點 » 正文

硬碳材料及在鈉離子電池應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-11-25  瀏覽次數:11
核心提示:硬碳材料由于具有豐富的碳源、低成本、無毒環保,且儲鈉電位低而被認為是最可能被實用化的鈉離子電池負極材料。然而硬碳負極的實
 硬碳材料由于具有豐富的碳源、低成本、無毒環保,且儲鈉電位低而被認為是最可能被實用化的鈉離子電池負極材料。然而硬碳負極的實際應用中也面臨著首周庫倫效率低、長循環穩定性不足以及倍率性能較差等問題,近年來眾多研究者致力于硬碳負極的性能優化研究。

軟碳和硬碳區分

無定形碳應用于鈉離子電池負極材料,就是從入手軟碳開始的,但現階段其儲鈉能力不理想。與軟碳不同的是,硬碳即便經高溫處理,也難以出現石墨化的現象,表現出更強的儲鈉能力以及更低的工作電位,更適合于用作鈉離子電池負極材料。

軟碳和硬碳的區別:根據碳材料于2500℃時高溫熱處理下是否可以充分石墨化,可將碳材料分成硬碳或軟碳。當溫度升高大于2500℃,軟碳在層間距離和微晶上的變化速度會遠大于硬碳,軟碳經高溫熱處理會充分石墨化,而硬碳的石墨化則難以進行。

常見的軟碳主要有焦炭、中間相碳微球、碳纖維等。

硬碳也被稱為“非石墨化碳”,它結構由扭曲的石墨烯片堆疊而成,即使在 高于 3000℃的溫度下,這些扭曲的石墨烯片也無法完全展開或壓平而進一步堆積成石墨。

硬碳的較大層間距可促進鈉離子的嵌入材料內部;類石墨微晶堆積形成的微孔結構,可以提供更多儲鈉位點,所以硬碳是一種很有前途的儲鈉材料。

硬碳材料結構(來源呂偉明博士論文)

硬碳的制備方法及結構

硬碳主要來源于一些高分子及生物質的熱解,常見有:環氧樹脂、聚偏氟乙烯、聚氟乙烯、面粉等。

生物熱解碳屬于硬碳,熱解碳環境友好、低成本,通?梢杂煤唵蔚臒峤夥椒ǖ玫。此外,通過優化熱解溫度、增加預處理過程和前驅物化學活化處理等方法可以制備容量表現高于石墨的碳質材料,它們的特性也因生

物前驅物特性的不同而不同。生物熱解硬碳的電化學性能明顯依賴于其熱解條件和表面形貌特性。

硬碳結構(圖片來源DOI: 10.1002/aenm.202002704)

宏觀上,硬碳的結構可以用非平面、彎曲、彎折、卷曲、扭曲和皺褶石墨薄片的離散碎片來描述。據報道,石墨烯片的平均曲率半徑約為16。石墨烯層不能被展開或展平,但它們是由于高度渦輪層狀結構中范德華力的存在,局部堆積。因此,盡管存在局部堆疊,但石墨烯層的取向在相對較大的尺度上是隨機的,從而導致具有廣泛尺寸和形式的空隙和孔隙。進一步描述硬碳結構表明,碳片層可能更好地描述為類似富勒烯的結構,由六邊形網絡中的sp2-雜化碳組成,部分被五邊形和七邊形以及缺陷破壞。

硬碳在鈉離子電池應用

硬碳材料的儲鈉特性同樣表現為充放電曲線中高電位部分的斜坡區和低電位的平臺區。

人們仍在爭論典型恒電流放電/充電曲線中傾斜或平臺區域內碳電極的鈉儲存行為,可歸納為三類:

(1) Na+離子吸附在表面缺陷處;

(2) Na+離子插入石墨層;

(3) Na+離子填充到納米孔中。

基于這三種鈉存儲行為,鈉存儲機制可分為四種模型:(1)“插層填充”模型:鈉離子插層到傾斜區域的石墨層中,并插入到平臺區域隨機堆疊層之間的納米孔中;

(2) 吸附-插層模型:Na+離子吸附在傾斜區域內碳電極的表面或缺陷位置,而插層到平臺區域內的石墨層[63,64];

(3) 吸附-填充模型:在傾斜區域,Na+離子吸附在缺陷位置,而在平臺區域填充納米孔;

(4)“三階段”模型:鈉離子在斜坡區的缺陷吸附,但在高原區,鈉離子首先插入石墨層,最后填充到納米孔中。

目前硬碳在鈉離子電池的應用還存在許多挑戰:

(1)大多數硬碳材料的鈉儲存容量仍然較低,而以硬碳為陽極的SiB的能量密度仍然無法與LiB競爭;

(2) 特別是對于大型電網儲能系統,其速率和循環性能仍然不夠好;

(3) 硬碳陽極的冰含量通常較低,在鋰離子電池中無法與石墨競爭,這限制了能量密度和總成本;

(4) 鈉的儲存機制尚未闡明。深入透徹地了解鈉的儲存特性對于更好的材料設計很重要;

(5) 在大多數情況下,容量的很大一部分來自0.1 V以下的高原區域(相對于Na+/Na),這可能會導致Na沉積和安全問題,需要更好地理解。

 
 
[ 碳業資訊搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告訴好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 關閉窗口 ]

 
0條 [查看全部]  相關評論

 
推薦圖文
推薦碳業資訊
點擊排行
 
 
97无码免费人妻超级碰碰碰碰