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你能想象(xiang)嗎(ma)？通過(guo)化(hua)學反應，淀粉或許可以成(cheng)為(wei)電池的一部分。近日(ri)，中國科(ke)學院山西(xi)煤炭化(hua)學研究所(suo)陳(chen)成(cheng)猛(meng)研究員(yuan)帶領(ling)的科(ke)研團隊，利用酯(zhi)化(hua)改(gai)性后的淀粉，通過(guo)低溫氫氣(qi)還原和高溫碳(tan)化(hua)反應制(zhi)備(bei)了鈉離子電池負極(ji)材(cai)料——硬炭，相關論文(wen)發表于儲(chu)能領(ling)域頂級期刊《儲(chu)能材(cai)料》。

需要研發儲鈉效率更高且廉價穩定的(de)負極材料

當下，鋰(li)離子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)幾乎充斥了(le)可充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)市場(chang)。而我國目前用于(yu)制備鋰(li)離子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的鋰(li)資源(yuan)主要(yao)依賴于(yu)進口(kou)，成本較高。與(yu)之相比(bi)，鈉資源(yuan)分(fen)布(bu)廣泛(fan)，成本低，且鈉離子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)高低溫性(xing)能優異，安全性(xing)也更(geng)加(jia)穩定，因此鈉離子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)體系不斷得到(dao)關注。

陳成(cheng)猛介紹(shao)，隨著鈉離(li)子電(dian)池(chi)體系(xi)的不斷完(wan)善(shan)以(yi)及學術界和(he)產業(ye)界的積極互動(dong)，鈉離(li)子電(dian)池(chi)有望在新能源汽車、大規(gui)模儲能以(yi)及儲能電(dian)網(wang)等(deng)多個領域(yu)中(zhong)得到應用(yong)，是一種(zhong)很有市場前景的新技術。

而(er)硬炭作為(wei)一種(zhong)新型負極(ji)材(cai)料，被認(ren)為(wei)是(shi)最具有商業化潛力的鈉離子(zi)電池(chi)負極(ji)材(cai)料。它(ta)由類石墨(mo)的微晶結構(gou)和開口的角狀微晶組成，這種(zhong)獨特的微晶結構(gou)不(bu)僅(jin)可以提供豐富的儲鈉位點，而(er)且其穩定的骨架結構(gou)以及較低的工作電勢同(tong)樣(yang)使(shi)它(ta)備(bei)受關注。

然而，科研人(ren)員發現(xian)鈉(na)(na)離子(zi)電池在實際應用中(zhong)存在一定阻礙，其中(zhong)硬炭電極的比容量和首次庫倫效(xiao)率普遍較低(di)，嚴重限制(zhi)了鈉(na)(na)離子(zi)電池整體電化學性(xing)能(neng)的發揮。因此需要研發儲鈉(na)(na)效(xiao)率更(geng)高(gao)且廉(lian)價(jia)穩定的負(fu)極材料。

為進(jin)一(yi)步提高(gao)硬炭的(de)(de)儲鈉(na)性能(neng)，普遍的(de)(de)解決方案是對硬炭表面(mian)進(jin)行包覆、修(xiu)飾(shi)、雜原(yuan)子摻雜，或者高(gao)溫炭化來調控其微觀(guan)結構。但制備方法(fa)的(de)(de)高(gao)能(neng)耗、高(gao)復(fu)雜性以及摻雜炭材料的(de)(de)高(gao)工作電勢(shi)需要進(jin)一(yi)步優化。

通過(guo)氧元素含量的(de)變化(hua)實現對(dui)硬炭微觀結構調控

陳(chen)成猛(meng)介紹(shao)，硬炭(tan)是(shi)由各(ge)種前驅體(ti)包括(kuo)糖類、聚合(he)物以及生物質(zhi)等在高溫(wen)下炭(tan)化制備(bei)而成的。在研(yan)究過程中，陳(chen)成猛(meng)科研(yan)團(tuan)隊(dui)發現硬炭(tan)的性(xing)能不僅與制備(bei)方式有關，而且很大(da)程度(du)上取決(jue)于所用前驅體(ti)的性(xing)質(zhi)。

“制備硬炭(tan)(tan)的(de)前(qian)驅體(ti)一(yi)般是具(ju)有熱(re)(re)固性的(de)樹脂、聚合(he)物以及(ji)生物質等。除(chu)碳以外，氧(yang)是眾多(duo)(duo)前(qian)驅體(ti)中存在(zai)最多(duo)(duo)的(de)元素，并且(qie)在(zai)高溫熱(re)(re)解(jie)(jie)及(ji)炭(tan)(tan)化(hua)過程中不(bu)斷(duan)被釋放。”因(yin)此，陳成猛表(biao)示(shi)，前(qian)驅體(ti)中氧(yang)含(han)量的(de)多(duo)(duo)少將會影(ying)響其(qi)熱(re)(re)解(jie)(jie)過程以及(ji)最終(zhong)硬炭(tan)(tan)的(de)微觀(guan)結構。

根據(ju)這一(yi)設想，陳(chen)成(cheng)猛科(ke)研團(tuan)隊利用低溫(wen)氫氣(qi)還(huan)原策略對(dui)酯化淀(dian)粉原料進行預處理，通過(guo)改變反應溫(wen)度來調節反應產物前驅(qu)體中氧元(yuan)素含(han)量。隨后，他們又(you)對(dui)不同反應溫(wen)度下的樣(yang)品(pin)進一(yi)步高溫(wen)炭化，制備了硬(ying)炭，也就是(shi)通過(guo)氧元(yuan)素含(han)量的變化實現了對(dui)最終產物——硬(ying)炭的微(wei)觀結構調控。

為研究不同(tong)的(de)氫氣還原反應溫度對(dui)最(zui)終材料(liao)結構(gou)的(de)影(ying)響(xiang)，科研人員選擇(ze)了(le)多(duo)個還原溫度展(zhan)開試驗(yan)，有力證實(shi)了(le)氧(yang)元素(su)含量對(dui)硬炭性能的(de)影(ying)響(xiang)。

盡管目(mu)前的研究成果為后續(xu)進行高性能硬炭的開發奠(dian)定了良好的基礎(chu)，但同(tong)(tong)時陳成猛也提到，硬炭受不同(tong)(tong)前驅體和制備條件的影響，其實際結構(gou)十分(fen)復雜，很(hen)難構(gou)建一個(ge)通用模型。

陳成猛表示(shi)，下一(yi)步團隊還會從原材料出(chu)發，構(gou)建硬(ying)炭的結構(gou)模型，搭建相應(ying)的數據庫，并針(zhen)對特定應(ying)用場景(jing)進行(xing)硬(ying)炭的開發，例如高功率(lv)、超低(di)溫(wen)(wen)以及(ji)高溫(wen)(wen)等。