煤基碳负极材料在锂离子电池中的应用研究进展

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.06.002

石油化工高等学校学报 ›› 2022, Vol. 35 ›› Issue (6): 10-18.DOI: 10.3969/j.issn.1006-396X.2022.06.002

煤基碳负极材料在锂离子电池中的应用研究进展

张利星¹^,²(), 张熊²(), 李晨², 吴志勇³, 曾涛明⁴, 马向东¹

^1.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083
^2.中国科学院电工研究所，北京 100190
^3.国网湖南省电力有限公司供电服务中心（计量中心），湖南长沙 410011
^4.国网湖南省电力有限公司益阳供电分公司，湖南益阳 413000

收稿日期:2022-11-03 修回日期:2022-11-26 出版日期:2022-12-25 发布日期:2023-01-07
通讯作者: 张熊
作者简介:张利星（1997⁃），男，硕士研究生，从事锂离子电池负极材料相关研究；E⁃mail：zhanglixingyx@126.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51907193)

Research Progress of Application of Coal⁃Based Carbon Anode Materials in Lithium⁃Ion Batteries

Lixing Zhang¹^,²(), Xiong Zhang²(), Chen Li², Zhiyong Wu³, Taoming Zeng⁴, Xiangdong Ma¹

^1.School of Mechanical Electronic & Information Engineering，China University of Mining and Technology?Beijing，Beijing 100083，China
^2.Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^3.State Grid Corporation of China Hunan Power Supply Service Center （Metering center），Changsha Hunan 410011，China
^4.State Grid Yiyang Power Supply Company，Yiyang Hunan 413000，China

Received:2022-11-03 Revised:2022-11-26 Published:2022-12-25 Online:2023-01-07
Contact: Xiong Zhang

摘要/Abstract

摘要：

随着碳达峰、碳中和成为全球共识，电化学储能技术和相关产业得到了飞速发展，与此同时电极材料的需求也与日俱增。因此，如何利用来源广泛、成本低廉的前驱体制备高性能负极材料成为国内外研究的热点。煤炭因具有碳含量高、储量丰富和价格低廉等特点成为最有潜力的负极材料前驱体。近年来，研究者以煤炭为原料制备了无定型碳、石墨、碳纳米管和石墨烯等负极材料，并对其在锂离子电池中的应用进行了深入研究。总结了三类典型的煤基碳负极材料在锂离子电池中应用的研究进展，并对其合成方法、优化改性及电化学性能等方面进行了综述，最后对煤基碳负极材料的发展及应用进行了展望。

关键词: 锂离子电池, 负极材料, 煤基碳材料, 合成方法

Abstract:

As carbon peak and carbon neutrality become a global consensus,electrochemical energy storage technologies and related industries have been developing rapidly.The demand for electrode materials is also increasing steadily.How to prepare high?performance anode materials with widely available and low?cost precursors has thus become a research hot spot both in China and abroad.Coal is the most promising precursor for anode materials because of its high carbon content,abundant reserves,and low price.In recent years,researchers have prepared various anode materials,such as amorphous carbon,graphite,carbon nanotubes, and graphene,from coal and studied their application in lithium?ion batteries in depth.This paper summarized the research progress of three typical coal?based carbon anode materials in lithium?ion batteries.Then, it reviewed their synthesis methods,optimization and modification,and electrochemical performance.Finally,the paper presented an outlook on the development and application of coal?based carbon anode materials.

Key words: Lithium?ion battery, Anode material, Coal?based carbon material, Synthesis method

中图分类号:

TQ536

张利星, 张熊, 李晨, 吴志勇, 曾涛明, 马向东. 煤基碳负极材料在锂离子电池中的应用研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 10-18.

Lixing Zhang, Xiong Zhang, Chen Li, Zhiyong Wu, Taoming Zeng, Xiangdong Ma. Research Progress of Application of Coal⁃Based Carbon Anode Materials in Lithium⁃Ion Batteries[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2022, 35(6): 10-18.

图/表 7

图1 褐煤、亚烟煤、烟煤、无烟煤的有机高分子结构模型

Fig.1 Organic polymer structure models of lignite,subbituminous coal,bituminous coal,anthracite

图2 Fe2O3催化制备的无烟煤基石墨的TEM和HRTEM图

Fig.2 TEM image and HRTEM image of graphite powder after graphitization catalyzed by Fe2O3

图3 B?CNTs的TEM图和电化学性能曲线

Fig.3 TEM image and electrochemical properties curve of the B?CNTs

图4 MoO3@CCNFs复合材料制备过程示意图

Fig.4 Schematic illustration of the procedure for preparation of MoO3@CCNFs composites

图5 MoO3@CCNFs复合材料的SEM和TEM图

Fig.5 SEM and TEM image of MoO3@CCNFs composite

图6 无烟煤基多孔石墨烯制备过程示意图

Fig.6 Schematic illustration of the procedure for preparation of coal?based porous graphene

表1 煤基碳负极材料的合成方法及其电化学性能

Table 1 Synthesis and electrochemical properties of common coal?based carbon anode materials

煤基碳负极材料	合成方法	首周可逆比容量/(mA⋅h⋅g^-1)	首周库仑效率/%	电压（vs.Li/Li⁺）/V	电流密度（充放电倍率）	循环次数	循环后比容量/(mA⋅h⋅g^-1)	容量保持率/%	参考文献
煤基软碳	高温热处理	384.5	66.4	1.0×10^-3~2.0	0.1 A/g	100	318.8	82.9	[22]
煤基石墨	高温石墨化	324.6	87.5	1.0×10^-2~2.0	2.0 C	100	174.6	95.3	[27]
煤基膨胀石墨	高温石墨化、微波辐射	351.6	64.3	1.0×10^-2~3.0	0.2 C	300	278.0	79.1	[30]
煤基碳纳米管	电弧放电法	337.6	53.7	0~3.0	25 mA/g	100	450.1	-	[42]
煤基多孔石墨烯	高温石墨化、Hummers氧化还原法	943.0	46.2	1.0×10^-2~3.0	1.0 C	110	601.0	98.0	[62]
C⁃GQDs@ α⁃Fe₂O₃	电化学沉积	1 913.9	78.04	1.0×10^-2~3.0	1.0 A/g	110	1 320.0	83.4	[63]
煤基多孔碳纳米球	电弧放电法、KOH溶液活化法	497.5	41.8	0~3.0	0.1 A/g	200	844.9	-	[64]

参考文献 67

1	邹才能，赵群，张国生，等.能源革命：从化石能源到新能源［J］.天然气工业，2016，36（1）：1⁃10.
	Zou C N，Zhao Q，Zhang G S，et al.Energy revolution： From a fossil energy era to a new energy era［J］.Natural Gas Industry，2016，36（1）：1⁃10.
2	Dunn B，Kamath H，Tarascon J M.Electrical energy storage for the grid： A battery of choices［J］.Science，2011，334（6058）：928⁃935.
3	张宝锋，童博，冯仰敏，等.电化学储能在新能源发电侧的应用分析［J］.热力发电，2020，49（8）：13⁃18.
	Zhang B F，Tong B，Feng Y M，et al.Application analysis of electrochemical energy storage technology in new energy power generation side［J］.Thermal Power Generation，2020，49（8）：13⁃18.
4	乔亮波，张晓虎，孙现众，等.电池⁃超级电容器混合储能系统研究进展［J］.储能科学与技术，2022，11（1）：98⁃106.
	Qiao L B，Zhang X H，Sun X Z，et al.Advances in battery⁃supercapacitor hybrid energy storage system［J］.Energy Storage Science and Technology，2022，11（1）：98⁃106.
5	张晓虎，孙现众，张熊，等.锂离子电容器在新能源领域应用展望［J］.电工电能新技术，2020，39（11）：48⁃58.
	Zhang X H，Sun X Z，Zhang X，et al.Prospect of lithium⁃ion capacitor application in new energy field［J］.Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2020，39（11）：48⁃58.
6	Tarascon J M，Armand M.Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries［J］.Nature，2001，414（6861）：359⁃367.
7	Cheng H，Shapter J G，Li Y Y，et al.Recent progress of advanced anode materials of lithium⁃ion batteries［J］.Journal of Energy Chemistry，2021，57：451⁃468.
8	Li H，Wang Z X，Chen L Q，et al.Research on advanced materials for Li⁃ion batteries［J］.Advanced Materials，2009，21（45）：4593⁃4607.
9	沈紫烨，王利娟.高比容量Li₂ZnTi₃O₈@C⁃N负极材料储锂性能研究［J］.石油化工高等学校学报，2022，35（3）：1⁃9.
	Shen Z Y， Wang L J.Li⁃storage of Li₂ZnTi₃O₈@C⁃N anode materials with high specific capacities［J］.Journal of Petrochemical Universities，2022，35（3）：1⁃9.
10	Solomon P R，Fletcher T H，Pugmire R J，et al.Progress in coal pyrolysis［J］.Fuel，1993，72（5）：587⁃597.
11	Schobert H H，Song C.Chemicals and materials from coal in the 21st century［J］.Fuel，2002，81（1）：15⁃32.
12	Mathews J P，Chaffee A L.The molecular representations of coal⁃A review［J］.Fuel，2012，96（1）：1⁃14.
13	Sonibare O O，Haeger T，Foley S F.Structural characterization of nigerian coals by X⁃ray diffraction，Raman and FTIR spectroscopy［J］.Energy，2010，35（12）：5347⁃5353.
14	Haenel M W.Recent progress in coal structure research［J］.Fuel，1992，71（11）：1211⁃1223.
15	Vasireddy S，Morreale B，Cugini A，et al.Clean liquid fuels from direct coal liquefaction： Chemistry， catalysis， technological status and challenges［J］.Energy & Environmental Science，2011，4（2）：311⁃345.
16	Irisarri E，Ponrouch A，Palacin M R.Review⁃hard carbon negative electrode materials for sodium⁃ion batteries［J］.Journal of the Electrochemical Society，2015，162（14）：A2476⁃A2482.
17	Jian Z，Hwang S，Li Z F，et al.Hard⁃soft composite carbon as a long⁃cycling and high⁃rate anode for potassium⁃ion batteries［J］.Advanced Functional Materials， 2017，27（26）：1700324.
18	Sun N，Liu H，Xu B.Facile synthesis of high performance hard carbon anode materials for sodium ion batteries［J］.Journal of Materials Chemistry A，2015，3（41）：20560⁃20566.
19	Zhao C X，Li H，Zou Y J，et al.Low⁃cost carbon materials as anode for high⁃performance potassium⁃ion batteries［J］.Materials Letters，2020，262：127147.
20	Xiao J，Li F C，Zhong Q F，et al.Effect of high⁃temperature pyrolysis on the structure and properties of coal and petroleum coke［J］.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2016，117：64⁃71.
21	Kim Y，Yang H，Yoon S，et al.Anthracite as a candidate for lithium ion battery anode［J］.Journal of Power Sources，2003，113（1）：157⁃165.
22	Liu X Y，Tao H C，Tang C Y，et al.Anthracite⁃derived carbon as superior anode for lithium/potassium⁃ion batteries［J］.Chemical Engineering Science，2022，248：117200.
23	Scrosati B，Garche J.Lithium batteries： Status， prospects and future［J］.Journal of Power Sources，2010，195（9）：2419⁃2430.
24	陈港欣，孙现众，张熊，等.高功率锂离子电池研究进展［J］.工程科学学报，2022，44（4）：612⁃624.
	Chen G X，Sun X Z，Zhang X，et al.Progress of high⁃power lithium⁃ion batteries［J］.Chinese Journal of Engineering，2022，44（4）：612⁃624.
25	王立超，张晓虎，张熊，等.高功率锂离子电池负极材料研究进展［J］.电源技术，2021，45（9）：1213⁃1215.
	Wang L C，Zhang X H，Zhang X，et al.Review of anode materials for high⁃power lithium⁃ion battery［J］.Chinese Journal of Power Sources，2021，45（9）：1213⁃1215.
26	Cameán I，Lavela P，Tirado J L，et al.On the electrochemical performance of anthracite⁃based graphite materials as anodes in lithium⁃ion batteries［J］.Fuel，2010，89（5）：986⁃991.
27	Xing B L，Zhang C T，Cao Y J，et al.Preparation of synthetic graphite from bituminous coal as anode materials for high performance lithium⁃ion batteries［J］.Fuel Processing Technology，2018，172：162⁃171.
28	Shi M，Song C L，Tai Z G，et al.Coal⁃derived synthetic graphite with high specific capacity and excellent cyclic stability as anode material for lithium⁃ion batteries［J］.Fuel，2021，292：120250.
29	Tang L，Mao Q Y，You Z H，et al.Catalytic graphitization in anthracite by reduced iron particles and investigating the mechanism of catalytic transformation via molecular dynamics［J］.Carbon，2022，188：336⁃348.
30	Deng R Y，Chu F L，Yu H Y，et al.Electrochemical performance of expanded graphite prepared from anthracite via a microwave method［J］.Fuel Processing Technology，2022，227：107100.
31	Nishihara H，Kyotani T.Templated nanocarbons for energy storage［J］.Advanced Materials，2012，24（33）：4473⁃4498.
32	Ni J F，Li Y.Carbon nanomaterials in different dimensions for electrochemical energy storage［J］.Advanced Energy Materials，2016，6（17）：1600278.
33	Xu Z X，Deng W J，Wang X L.3D hierarchical carbon⁃rich micro⁃/nanomaterials for energy storage and catalysis［J］.Electrochemical Energy Reviews，2021，4（2）：269⁃335.
34	Qiu J S，Li Y F，Wang Y P，et al.A novel form of carbon micro⁃balls from coal［J］.Carbon，2003，41（4）：767⁃772.
35	Zheng T，Xing W，Dahn J R.Carbons prepared from coals for anodes of lithium⁃ion cells［J］.Carbon，1996，34（12）：1501⁃1507.
36	Ye R Q，Xiang C S，Lin J，et al.Coal as an abundant source of graphene quantum dots［J］.Nature Communications，2013， 4（1）：1⁃7.
37	Cheng Y，Li P，Zhang Q B，et al.Top⁃down fabrication of small carbon nanotubes［J］.Nanoscale Horizons，2019，4（6）：1310⁃1317.
38	Baughman R H，Zakhidov A A，De Heer W A.Carbon nanotubes⁃the route toward applications［J］.Science，2002，297（5582）：787⁃792.
39	Thostenson E T，Ren Z F，Chou T W.Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites： A review［J］.Composites Science and Technology，2001，61（13）：1899⁃1912.
40	De Volder M F L，Tawfick S H，Baughman R H，et al.Carbon nanotubes： Present and future commercial applications［J］.Science，2013，339（6119）：535⁃539.
41	Iijima S.Helical microtubules of graphitic carbon［J］.Nature，1991，354（6348）：56⁃58.
42	Li J，Cao Y L，Wang L X，et al.Cost⁃effective synthesis of bamboo⁃structure carbon nanotubes from coal for reversible lithium storage［J］.RSC Advances，2017，7（55）：34770⁃34775.
43	Moothi K，Iyuke S E，Meyyappan M，et al.Coal as a carbon source for carbon nanotube synthesis［J］.Carbon，2012，50（8）：2679⁃2690.
44	Williams K A，Tachibana M，Allen J L，et al.Single⁃wall carbon nanotubes from coal［J］.Chemical Physics Letters，1999，310（1）：31⁃37.
45	Hoang V C，Hassan M，Gomes V G.Coal derived carbon nanomaterials⁃recent advances in synthesis and applications［J］.Applied Materials Today，2018，12：342⁃358.
46	Chen L F，Zhang X D，Liang H W，et al.Synthesis of nitrogen⁃doped porous carbon nanofibers as an efficient electrode material for supercapacitors［J］.ACS Nano，2012，6（8）：7092⁃7102.
47	Qie L，Chen W M，Wang Z H，et al.Nitrogen⁃doped porous carbon nanofiber webs as anodes for lithium ion batteries with a superhigh capacity and rate capability［J］.Advanced Materials，2012，24（15）：2047⁃2050.
48	王光鑫，李华，赵桂艳，等.碳系导电纳米材料填充高分子导电复合材料及其研究进展［J］.石油化工高等学校学报，2020，33（5）：1⁃7.
	Wang G X，Li H，Zhao G Y，et al.Progress of carbonaceous conductive nanomaterials filled conductive polymer composites［J］.Journal of Petrochemical Universities，2020，33（5）：1⁃7.
49	He Y T，Wang L X，Jia D Z.Coal/PAN interconnected carbon nanofibers with excellent energy storage performance and electrical conductivity［J］.Electrochimica Acta，2016，194：239⁃245.
50	Zhao H Y，Wang L X，Jia D Z，et al.Coal based activated carbon nanofibers prepared by electrospinning［J］.J. Mater. Chem. A，2014，2（24）：9338⁃9344.
51	Zhao X J，Jia W，Wu X Y，et al.Ultrafine MoO₃ anchored in coal⁃based carbon nanofibers as anode for advanced lithium⁃ion batteries［J］.Carbon，2020，156：445⁃452.
52	Geim A K，Novoselov K S.The rise of graphene［J］.Nature Materials，2007，6（3）：183⁃191.
53	Geim A K.Graphene： Status and prospects［J］.Science，2009，324（5934）：1530⁃1534.
54	李晨，张熊，王凯，等.三维石墨烯网络在超级电容器中的应用［J］.新型炭材料，2015，30（3）：193⁃206.
	Li C，Zhang X，Wang K，et al.Three dimensional graphene networks for supercapacitor electrode materials［J］.New Carbon Materials，2015，30（3）：193⁃206.
55	胡涛，张熊，安亚斌，等.锂离子电容器碳正极材料的研究进展［J］.化工学报，2020，71（6）：2530⁃2546.
	Hu T，Zhang X，An Y B，et al.Research progress of carbon cathode materials for Li⁃ion capacitors［J］.CIESC Journal，2020，71（6）：2530⁃2546.
56	Allen M J，Tung V C，Kaner R B.Honeycomb carbon： A review of graphene［J］.Chemical Reviews，2010，110（1）：132⁃145.
57	阳虹，马章楠，张玉贵，等.煤基石墨烯制备与应用研究进展［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2022，41（4）：166⁃175.
	Yang H，Ma Z N，Zhang Y G，et al.Research progress in preparation and application of coal⁃based graphene［J］.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2022，41（4）：166⁃175.
58	Zhou Q，Zhao Z B，Zhang Y T，et al.Graphene sheets from graphitized anthracite coal： Preparation， decoration， and application［J］.Energy & Fuels，2012，26（8）：5186⁃5192.
59	Awasthi S，Awasthi K，Ghosh A K，et al.Formation of single and multi⁃walled carbon nanotubes and graphene from Indian bituminous coal［J］.Fuel，2015，147：35⁃42.
60	Vijapur S H，Wang D，Ingram D C，et al.An investigation of growth mechanism of coal derived graphene films［J］.Materials Today Communications，2017，11：147⁃155.
61	Vijapur S H，Wang D，Botte G G.Raw coal derived large area and transparent graphene films［J］.ECS Solid State Letters，2013，2（7）：M45⁃M47.
62	Xing B L，Zeng H H，Huang G X，et al.Porous graphene prepared from anthracite as high performance anode materials for lithium⁃ion battery applications［J］.Journal of Alloys and Compounds，2019，779：202⁃211.
63	Zhang Y T，Zhang K B，Jia K L，et al.Preparation of coal⁃based graphene quantum dots/α⁃Fe₂O₃ nanocomposites and their lithium⁃ion storage properties［J］.Fuel，2019，241：646⁃652.
64	李君，曹亚丽，王鲁香，等.煤基球形多孔碳用于锂离子电池负极材料的性能研究［J］.无机材料学报，2017，32（9）：909⁃915.
	Li J，Cao Y L，Wang L X，et al.Performance of coal⁃derived spherical porous carbon as anode materials for lithium ion batteries［J］.Journal of Inorganic Materials，2017，32（9）：909⁃915.
65	Zhang S，Zhu J Y，Qing Y，et al.Construction of hierarchical porous carbon nanosheets from template⁃assisted assembly of coal⁃based graphene quantum dots for high performance supercapacitor electrodes［J］.Materials Today Energy，2017，6：36⁃45.
66	Wang K F，Qian J，Sun F，et al.In⁃situ catalytic conversion of coal pyrolysis gas to nanoporous carbon rods and superior sodium ion storage performance［J］.Fuel，2020，281：118782.
67	Chen J F，Feng J M，Dong L，et al.Nanoporous coal via Ni⁃catalytic graphitization as anode materials for potassium ion battery［J］.Journal of Electroanalytical Chemistry，2020，862：113902.

[1]	马文钊, 王利娟. 焦磷酸锡负极材料的制备及性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(4): 76-82.
[2]	冯莲晶, 王利娟. Sn₄P₃⁃G@C负极在锂离子电池中的应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(1): 66-73.
[3]	吕玉, 王晓宁, 吴张雄. 钴基催化剂的合成及其活化过一硫酸盐的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(5): 12-24.
[4]	沈紫烨, 王利娟. 高比容量Li₂ZnTi₃O₈@C⁃N负极材料储锂性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(3): 1-9.
[5]	杨占旭,乔庆东,康晓雪,姜海波. 高温固相法制备LiFePO₄/C 正极材料及其性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(5): 38-40.
[6]	李琪,乔庆东. 复合凝胶聚合物电解质的制备及电化学性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(3): 27-30.
[7]	杨占旭,乔庆东. 锂离子电池正极材料LiNi_0.8Co_0.2O₂的合成及性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(1): 18-20.
[8]	杨明山,刘建伟,于今. 锂离子电池用磷腈类聚合物电解质的制备与性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2010, 23(1): 1-5.

煤基碳负极材料在锂离子电池中的应用研究进展

Research Progress of Application of Coal⁃Based Carbon Anode Materials in Lithium⁃Ion Batteries

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