硬炭是一種鈉離子電池負極材料。它由各種前驅體(ti) 包括糖類、聚合物以及生物質等在高溫下炭化製備而成。硬炭的性能不僅(jin) 與(yu) 製備方式有關(guan) ，而且很大程度上取決(jue) 於(yu) 所用前驅體(ti) 的性質。研究人員通過調節前驅體(ti) 中氧元素含量實現了對硬炭微觀結構的調控。

　　◎通訊員 郜 蓉 實習(xi) 記者 韓 榮

　　你能想象嗎？通過化學反應，澱粉或許可以成為(wei) 電池的一部分。近日，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員帶領的科研團隊，利用酯化改性後的澱粉，通過低溫氫氣還原和高溫碳化反應製備了鈉離子電池負極材料——硬炭，相關(guan) 論文發表於(yu) 儲(chu) 能領域頂級期刊《儲(chu) 能材料》。

　　需要研發儲(chu) 鈉效率更高且廉價(jia) 穩定的負極材料

　　當下，鋰離子電池幾乎充斥了可充電電池市場。而我國目前用於(yu) 製備鋰離子電池的鋰資源主要依賴於(yu) 進口，成本較高。與(yu) 之相比，鈉資源分布廣泛，成本低，且鈉離子電池高低溫性能優(you) 異，安全性也更加穩定，因此鈉離子電池體(ti) 係不斷得到關(guan) 注。

　　陳成猛介紹，隨著鈉離子電池體(ti) 係的不斷完善以及學術界和產(chan) 業(ye) 界的積極互動，鈉離子電池有望在新能源汽車、大規模儲(chu) 能以及儲(chu) 能電網等多個(ge) 領域中得到應用，是一種很有市場前景的新技術。

　　而硬炭作為(wei) 一種新型負極材料，被認為(wei) 是最具有商業(ye) 化潛力的鈉離子電池負極材料。它由類石墨的微晶結構和開口的角狀微晶組成，這種獨特的微晶結構不僅(jin) 可以提供豐(feng) 富的儲(chu) 鈉位點，而且其穩定的骨架結構以及較低的工作電勢同樣使它備受關(guan) 注。

　　然而，科研人員發現鈉離子電池在實際應用中存在一定阻礙，其中硬炭電極的比容量和首次庫倫(lun) 效率普遍較低，嚴(yan) 重限製了鈉離子電池整體(ti) 電化學性能的發揮。因此需要研發儲(chu) 鈉效率更高且廉價(jia) 穩定的負極材料。

　　為(wei) 進一步提高硬炭的儲(chu) 鈉性能，普遍的解決(jue) 方案是對硬炭表麵進行包覆、修飾、雜原子摻雜，或者高溫炭化來調控其微觀結構。但製備方法的高能耗、高複雜性以及摻雜炭材料的高工作電勢需要進一步優(you) 化。

　　通過氧元素含量的變化實現對硬炭微觀結構調控

　　陳成猛介紹，硬炭是由各種前驅體(ti) 包括糖類、聚合物以及生物質等在高溫下炭化製備而成的。在研究過程中，陳成猛科研團隊發現硬炭的性能不僅(jin) 與(yu) 製備方式有關(guan) ，而且很大程度上取決(jue) 於(yu) 所用前驅體(ti) 的性質。

　　“製備硬炭的前驅體(ti) 一般是具有熱固性的樹脂、聚合物以及生物質等。除碳以外，氧是眾(zhong) 多前驅體(ti) 中存在最多的元素，並且在高溫熱解及炭化過程中不斷被釋放。”因此，陳成猛表示，前驅體(ti) 中氧含量的多少將會(hui) 影響其熱解過程以及最終硬炭的微觀結構。

　　根據這一設想，陳成猛科研團隊利用低溫氫氣還原策略對酯化澱粉原料進行預處理，通過改變反應溫度來調節反應產(chan) 物前驅體(ti) 中氧元素含量。隨後，他們(men) 又對不同反應溫度下的樣品進一步高溫炭化，製備了硬炭，也就是通過氧元素含量的變化實現了對最終產(chan) 物——硬炭的微觀結構調控。

　　為(wei) 研究不同的氫氣還原反應溫度對最終材料結構的影響，科研人員選擇了多個(ge) 還原溫度展開試驗，有力證實了氧元素含量對硬炭性能的影響。

　　盡管目前的研究成果為(wei) 後續進行高性能硬炭的開發奠定了良好的基礎，但同時陳成猛也提到，硬炭受不同前驅體(ti) 和製備條件的影響，其實際結構十分複雜，很難構建一個(ge) 通用模型。

　　陳成猛表示，下一步團隊還會(hui) 從(cong) 原材料出發，構建硬炭的結構模型，搭建相應的數據庫，並針對特定應用場景進行硬炭的開發，例如高功率、超低溫以及高溫等。

　　科技日報2022年10月13日第06版