Influencing Factors of Intrinsic Structure and Sodium Storage Properties of Carbonized Petroleum Coke

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.03.005

Abstract

Abstract:

The anode materials play a crucial role in the components of sodium?ion batteries. Petroleum coke serves as an important precursor for the preparation of carbon anode for sodium?ion batteries. In this study, the effects of carbonization temperature and sulfur content on the structure of petroleum coke anode were characterized by XRD and Raman spectroscopy, and the changes of sodium storage properties for different structured anodes were analyzed. The results show that the anode has a balanced defect density and interlayer spacing and excellent conductivity, which exhibits better electrochemical performance at 1 000 ℃. The discharge capacity at a current density of 50 mA/g is 434 mA?h/g. The presence of sulfur inhibits the rearrangement and growth of carbon layer. With the increase of sulfur content of petroleum coke, the anode material exhibits higher sodium storage capacity and better cycle life and rate performance, while the initial coulomb efficiency decreases from 65% to 54%, posing significant challenges for future research.

Key words: Petroleum coke, Sodium ion battery, Carbonization temperature, Sulfur mass fraction

摘要：

负极材料是钠离子电池的关键组成部分，而石油焦是制备钠离子电池碳基负极的重要前驱体之一。通过X射线衍射（XRD）和拉曼（Raman）光谱系统分析了碳化温度和硫质量分数对石油焦基负极材料结构的影响，并分析了不同结构的负极材料储钠性能变化。结果表明，当碳化温度为1 000 ℃时，负极材料的缺陷密度和层间距适中，具有优异的导电性，表现出较好的电化学性能，在50 mA/g电流密度下的放电比容量为434 mA·h/g；硫抑制了碳层重排和生长，随着石油焦硫质量分数的增加，负极材料具有较高的储钠容量和较好的循环、倍率性能，但首周库仑效率由65%降至54%，对未来的研究提出了挑战。

关键词: 石油焦, 钠离子电池, 碳化温度, 硫质量分数

CLC Number:

TQ150

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Figures/Tables 11

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样品	w（水分）/%	w（灰分）/%	w（挥发分）/%	w（固定碳）/%	w（硫）/%
PC⁃1	3.80	0.48	10.05	85.67	8.17
PC⁃2	2.50	0.15	11.25	86.10	4.78
PC⁃3	0.43	1.21	9.75	88.61	1.99
PC⁃4	0.14	0.44	11.84	87.58	0.58
PC⁃5	0.15	0.51	8.61	90.73	0.40

样品	w（水分）/%	w（灰分）/%	w（挥发分）/%	w（固定碳）/%	w（硫）/%
PC⁃1	3.80	0.48	10.05	85.67	8.17
PC⁃2	2.50	0.15	11.25	86.10	4.78
PC⁃3	0.43	1.21	9.75	88.61	1.99
PC⁃4	0.14	0.44	11.84	87.58	0.58
PC⁃5	0.15	0.51	8.61	90.73	0.40

样品	d₀₀₂/nm	L_c /nm	L_a /nm	I_D/I_G	w（硫）/%
样品	d₀₀₂/nm	L_c /nm	L_a /nm	I_D/I_G	碳化前	碳化后
PC⁃1⁃800	0.360	1.639	6.847	2.808	8.17	5.97
PC⁃1⁃1000	0.359	1.845	5.423	3.545	8.17	5.35
PC⁃1⁃1200	0.353	2.540	6.856	2.804	8.17	5.25
PC⁃1⁃1400	0.348	3.734	7.280	2.641	8.17	2.21
PC⁃1⁃1600	0.346	5.005	9.628	1.997	8.17	0.60

样品	d₀₀₂/nm	L_c /nm	L_a /nm	I_D/I_G	w（硫）/%
样品	d₀₀₂/nm	L_c /nm	L_a /nm	I_D/I_G	碳化前	碳化后
PC⁃1⁃800	0.360	1.639	6.847	2.808	8.17	5.97
PC⁃1⁃1000	0.359	1.845	5.423	3.545	8.17	5.35
PC⁃1⁃1200	0.353	2.540	6.856	2.804	8.17	5.25
PC⁃1⁃1400	0.348	3.734	7.280	2.641	8.17	2.21
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样品	d₀₀₂/nm	L_c /nm	L_a /nm	I_D/I_G	w（硫）/%
样品	d₀₀₂/nm	L_c /nm	L_a /nm	I_D/I_G	碳化前	碳化后
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PC⁃2⁃1000	0.358	1.844	5.460	3.521	4.78	3.78
PC⁃3⁃1000	0.358	1.808	5.897	3.260	1.99	1.58
PC⁃4⁃1000	0.357	1.771	6.147	3.128	0.58	0.46
PC⁃5⁃1000	0.357	1.770	7.353	2.615	0.40	0.32