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

為解決上述問題，近日，中科院物理所清潔能源實驗室的黃學杰課題組利用簡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極材料，實現(xiàn)了低成本和高首次庫倫效率。

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)的制備工藝相當簡單——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。

該硬碳為無序碳，擁有高度無序結(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倫效率密切相關。

圖3 半電池的電化學性能

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

圖4 全電池的電化學性能

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

相關研究成果發(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.