钠离子电池煤基硬碳负极材料的改性制备与应用挑战

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.06.003

石油化工高等学校学报 ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6): 25-34.DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2024.06.003

钠离子电池煤基硬碳负极材料的改性制备与应用挑战

王新宇¹^,²^,³(), 张凯洋¹^,², 者荣杰¹^,², 刘汉浩¹^,², 谷振一¹^,², 何晓燕³, 吴兴隆¹^,²()

^1.东北师范大学物理学院，吉林长春 130024
^2.东北师范大学紫外光发射材料与技术教育部重点实验室，吉林长春 130024
^3.伊犁师范大学化学化工学院，新疆伊犁 835100

收稿日期:2024-09-03 修回日期:2024-09-30 出版日期:2024-12-25 发布日期:2024-12-24
通讯作者: 吴兴隆
作者简介:王新宇（2001-），男，硕士研究生，从事钠离子电池负极材料方面的研究；E-mail：1620950842@qq.com。
基金资助:
国家自然科学基金重大研究计划项目(91963118)

Challenges in Modified Preparation and Application of Coal-Based Hard Carbon Anode Materials for Sodium-Ion Batteries

Xinyu WANG¹^,²^,³(), Kaiyang ZHANG¹^,², Rongjie ZHE¹^,², Hanhao LIU¹^,², Zhenyi GU¹^,², Xiaoyan HE³, Xinglong WU¹^,²()

^1.Faculty of Physics，Northeast Normal University，Changchun Jilin 130024，China
^2.MOE Key Laboratory for UV Light-Emitting Materials and Technology，Northeast Normal University，Changchun Jilin 130024，China
^3.College of Chemistry and Chemical Engineering，Yili Normal University，Yili Xinjiang 835100，China

Received:2024-09-03 Revised:2024-09-30 Published:2024-12-25 Online:2024-12-24
Contact: Xinglong WU

摘要/Abstract

摘要：

在应对能源危机和实现环境可持续发展的大背景下，能源储存系统受到了广泛关注。随着锂资源的快速消耗及其分布不均带来的挑战，具有相似电化学性质的钠离子电池（SIBs）逐渐成为研究热点。硬碳（HC）材料因其资源丰富、成本效益高和碳转化率高，已经成为SIBs中极具潜力的负极材料之一。煤基硬碳（CHC）因其低廉的成本和高碳转化率，成为HC前驱体中极具竞争力的材料之一。综述了近几年关于CHC材料的制备策略、优化改性及其电化学性能方面的研究成果，并对CHC材料的发展前景、应用和研究方向进行了展望。

关键词: 钠离子电池, 负极材料, 煤基硬碳, 制备方法

Abstract:

In the context of addressing the energy crisis and realizing environmental sustainability, energy storage systems have received much attention. With the challenges posed by the rapid depletion of lithium resources and its uneven distribution, sodium-ion batteries (SIBs) with similar electrochemical properties have gradually become a research hotspot. Hard carbon (HC) materials have become one of the highly promising anode materials for SIBs due to their abundance of resources, cost-effectiveness and high carbon conversion. Coal-based hard carbon (CHC) has become one of the competitive materials in HC precursors due to its low cost and high carbon conversion. This article reviews recent research on the preparation strategies, optimization modifications, and electrochemical properties of coal-based hard carbon materials. Furthermore, we discuss the development prospects and research directions for coal-based hard carbon materials.

Key words: Sodium-ion batteries, Anode material, Coal-based hard carbon, Prepare method

中图分类号:

TQ536

王新宇, 张凯洋, 者荣杰, 刘汉浩, 谷振一, 何晓燕, 吴兴隆. 钠离子电池煤基硬碳负极材料的改性制备与应用挑战[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 25-34.

Xinyu WANG, Kaiyang ZHANG, Rongjie ZHE, Hanhao LIU, Zhenyi GU, Xiaoyan HE, Xinglong WU. Challenges in Modified Preparation and Application of Coal-Based Hard Carbon Anode Materials for Sodium-Ion Batteries[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2024, 37(6): 25-34.

0
/ / 推荐

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://journal.lnpu.edu.cn/syhg/CN/10.12422/j.issn.1006-396X.2024.06.003

https://journal.lnpu.edu.cn/syhg/CN/Y2024/V37/I6/25

图/表 6

图1 褐煤、亚烟煤、烟煤、无烟煤的有机高分子结构模型[22]（a）褐煤（b）亚烟煤（c）烟煤（d）无烟煤

Fig.1 Organic polymer structure model of lignite, bituminous coal, bituminous coal and anthracite[22]

图2 强酸、强碱处理后CHC的灰分的质量分数及其电化学性能曲线

Fig.2 Ash mass fraction and electrochemical properties curves of CHC after strong acid and alkali treatment

图3 表面化学活化制备CHC与储钠机制示意图

Fig.3 Schematic diagram of the mechanism of CHC prepare and sodium storage under surface chemical activation

图4 预氧化处理制备CHC示意图

Fig.4 Schematic diagram of CHC preparation in pre-oxidation treatment

图5 杂原子掺杂制备CHC示意图

Fig.5 Schematic diagram of heteroatom-doped CHC preparation

图6 软-硬碳复合制备CHC示意图

Fig.6 Schematic diagram of the preparation of soft-hard carbon composite CHC

参考文献 57

1	SHEN H T， ZHAO H Q， KANG M M， et al. Sodium storage in coal/biomass-derived carbon/carbon 3D networks［J］. ChemElectroChem， 2019， 6（17）： 4541-4544.
2	XUE H T， SUN Q， LU R F， et al. Pyrolysis of coal pitch-infused melamine foam to construct N-doped carbon anodes for high-performance sodium-ion battery［J］. Journal of Electroanalytical Chemistry， 2021， 902： 115809.
3	ZHANG M H， LI Y， WU F， et al. Boosting the ultrahigh initial coulombic efficiency of porous carbon anodes for sodium-ion batteries fabrication of a passivation interface［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2021， 9（17）： 10780-10788.
4	LI H Q， HE X J， WU T T， et al. Synthesis， modification strategies and applications of coal-based carbon materials［J］. Fuel Processing Technology， 2022， 230： 107203.
5	LI Q， LIU X S， TAO Y， et al. Sieving carbons promise practical anodes with extensible low-potential plateaus for sodium batteries［J］. National Science Review， 2022， 9（8）： nwac084.
6	SONG M X， YI Z L， XU R， et al. Towards enhanced sodium storage of hard carbon anodes： Regulating the oxygen content in precursor by low-temperature hydrogen reduction［J］. Energy Storage Materials， 2022， 51： 620-629.
7	ZHAO H Q， ZHAO D， YE J Q， et al. Directional oxygen functionalization by defect in different metamorphic-grade coal-derived carbon materials for sodium storage［J］. Energy & Environmental Materials， 2022， 5（1）： 313-320.
8	CHU Y， ZHANG J， ZHANG Y B， et al. Reconfiguring hard carbons with emerging sodium-ion batteries： A perspective［J］. Advanced Materials， 2023， 35（31）： 2212186.
9	MERCER M P， NAGARATHINAM M， GAVILAN-ARRIAZU E M， et al. Sodiation energetics in pore size controlled hard carbons determined via entropy profiling［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2023， 11（12）： 6543-6555.
10	SONG M H， SONG Q， ZHANG T， et al. Growing curly graphene layer boosts hard carbon with superior sodium-ion storage［J］. Nano Research， 2023， 16（7）： 9299-9309.
11	程婷，时志强. 钠离子电池硬炭负极研究进展［J］. 山东化工， 2023， 52（20）： 120-122.
	CHENG T， SHI Z Q. Research progress of hard carbon anode for sodium-ion batteries［J］. Shandong Chemical Industry， 2023， 52（20）： 120-122.
12	THAPALIYA B P， LUO H M， LI M Y， et al. Molten salt assisted low-temperature electro-catalytic graphitization of coal chars［J］. Journal of the Electrochemical Society， 2021， 168（4）： 046504.
13	CHEN H， SUN N， ZHU Q Z， et al. Microcrystalline hybridization enhanced coal-based carbon anode for advanced sodium-ion batteries［J］. Advanves Science， 2022， 9（20）： 2200023.
14	MOHAMED A M A， DONG S， ELHEFNAWEY M， et al. A comparison of the electrochemical performance of graphitized coal prepared by high-temperature heating and flash Joule heating as an anode material for lithium and potassium ion batteries［J］. Chemical Physics Letters， 2023， 815： 140362.
15	ZHANG H， ZHANG Y G， LI J， et al. Advantages of structure and electrochemical properties of graphene prepared from tectonically deformed coal［J］. ACS Omega， 2023， 8（28）： 25142-25154.
16	ZHANG W， SUN N， CHEN H， et al. Molten salt assisted fabrication of coal-based carbon anode materials for efficient Na ion storage［J］. Inorganic Chemistry Frontiers， 2023， 10（17）： 5117-5126.
17	黄晓伟，温裕丰. 钠离子电池用硬碳负极材料研究进展［J］. 当代化工研究， 2023（21）： 7-9.
	HUANG X W， WEN Y F. Research progress of hard carbon anode materials for sodium ion batteries［J］. Modern Chemical Research， 2023（21）： 7-9.
18	荣强，周露. 钠离子电池电极材料研究进展［J］. 电源技术， 2023， 47（9）： 1130-1134.
	RONG Q， ZHOU L. Research progress on electrode materials for sodium-ion batteries［J］. Chinese Journal of Power Sources， 2023， 47（9）： 1130-1134.
19	谢浩杰，郑冬芳，罗霞，等. 钠离子电池关键材料研究进展［J］. 浙江化工， 2023， 54（12）： 8-14.
	XIE H J， ZHENG D F， LUO X， et al. Research progress on key materials for sodium-ion batteries［J］. Zhejiang Chemical Industry， 2023， 54（12）： 8-14.
20	赵旭瞳，龚文琦，沈琪彬，等. 嵌钠深度对钠离子电池硬碳负极存储性能的影响［J］. 广州化学， 2023， 48（6）： 57-60.
	ZHAO X T， GONG W Q， SHEN Q B， et al. Effect of sodiated degree on storage performance of hard carbon anode in sodium ion batteries［J］. Guangzhou Chemistry， 2023， 48（6）： 57-60.
21	郑海峰，郭明聪，马畅，等. 钠电负极用碳材料的种类概述与研究现状［J］. 炭素， 2023（3）： 30-33.
	ZHENG H F， GUO M C， MA C， et al. Overview of the development process and types of sodium-electric carbon-based anode materials［J］. Carbon， 2023（3）： 30-33.
22	张利星，张熊，李晨，等. 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.
	ZHANG L X， ZHANG X， LI C， et al. Research progress of application of coal-based carbon anode materials in lithium-ion batteries［J］. Journal of Petrochemical Universities， 2022， 35（6）： 10-18.
23	YANG J， MA L L， ZHOU X Y. Purification process of coal-based coke powder as anode for Li-ion batteries［J］. Journal of Central South University， 2014， 21（3）： 857-861.
24	LI M Y， TSAI W Y， THAPALIYA B P， et al. Modified coal char materials with high rate performance for battery applications［J］. Carbon， 2021， 172： 414-421.
25	LE M K， TRAN T N， HUYNH T K T， et al. Development of Vang Danh anthracite as a cost-effective anode for sodium-ion batteries through a heat-treatment process［J］. RSC Advances， 2022， 12（46）： 29900-29907.
26	LU H Y， SUN S F， XIAO L F， et al. High-capacity hard carbon pyrolyzed from subbituminous coal as anode for sodium-ion batteries［J］. ACS Applied Energy Materials， 2019， 2（1）： 729-735.
27	LI Y M， HU Y S， QI X G， et al. Advanced sodium-ion batteries using superior low cost pyrolyzed anthracite anode： Towards practical applications［J］. Energy Storage Materials， 2016， 5： 191-197.
28	CHEN F， MA L L， REN J G， et al. Surface modification of coal-based coke powder with pitch powder for lithium ion batteries［J］. International Journal of Electrochemical Science， 2018， 13（3）： 2206-2218.
29	ZHAO D， ZHAO H Q， YE J Q， et al. Oxygen functionalization boosted sodium adsorption-intercalation in coal based needle coke［J］. Electrochimica Acta， 2020， 329： 135127.
30	HAN L， ZHU X， YANG F， et al. Eco-conversion of coal into a nonporous graphite for high-performance anodes of lithium-ion batteries［J］. Powder Technology， 2021， 382： 40-47.
31	ZHU Z L， ZUO H B， LI S J， et al. A green electrochemical transformation of inferior coals to crystalline graphite for stable Li-ion storage［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2019， 7（13）： 7533-7540.
32	WANG K F， SUN F， WANG H， et al. Altering thermal transformation pathway to create closed pores in coal-derived hard carbon and boosting of Na⁺ plateau storage for high-performance sodium-ion battery and sodium-ion capacitor［J］. Advanced Functional Materials， 2022， 32（34）： 2203725.
33	LOU Z J， WANG H， WU D Y， et al. Microcrystalline regulation of bituminous coal derived hard carbon by pre-oxidation strategy for improved sodium-ion storage［J］. Fuel， 2022， 310（Part B）： 122072.
34	SU M Y， ZHANG K Y， ANG E H， et al. Structural regulation of coal-derived hard carbon anode for sodium-ion batteries via pre-oxidation［J］. Rare Metals， 2024， 43（6）： 2585-2596.
35	XIAO N， ZHANG X Y， LIU C， et al. Coal-based carbon anodes for high-performance potassium-ion batteries［J］. Carbon， 2019， 147： 574-581.
36	ZHANG Y T， ZHANG K B， REN S Z， et al. 3D nanoflower-like composite anode of α-Fe₂O₃/coal-based graphene for lithium-ion batteries［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2019， 792： 828-834.
37	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.
38	DONG D， ZHANG Y S， XIAO Y， et al. High performance aqueous supercapacitor based on nitrogen-doped coal-based activated carbon electrode materials［J］. Journal of Colloid and Interface Science， 2020， 580： 77-87.
39	LIU H M， HUANG X N， LU Z J， et al. Trace metals dramatically boost oxygen electrocatalysis of N-doped coal-derived carbon for zinc-air batteries［J］. Nanoscale， 2020， 12（17）： 9628-9639.
40	ZHOU X Y， MA L L， YANG J， et al. Properties of graphitized boron-doped coal-based coke powders as anode for lithium-ion batteries［J］. Journal of Electroanalytical Chemistry， 2013， 698： 39-44.
41	LI X， SUN N， TIAN X D， et al. Electrospun coal liquefaction residues/polyacrylonitrile composite carbon nanofiber non-woven fabrics as high performance electrodes for lithium/potassium battery［J］. Energy & Fuels， 2020， 34（2）： 2445-2451.
42	YAN S X， WANG Q， LUO S H， et al. Coal-based S hybrid self-doped porous carbon for high-performance supercapacitors and potassium-ion batteries［J］. Journal of Power Sources， 2020， 461： 228151.
43	GAO S S， LIU L， MAO F F， et al. Coal-based ultrathin N-doped carbon nanosheets synthesized by molten-salt method for high-performance lithium-ion batteries［J］. Nanotechnology， 2022， 33（42）： 425401.
44	TAN Y C， LIU W W， WANG W Y， et al. Embedment of red phosphorus in anthracite matrix for stable battery anode［J］. Rare Metals， 2022， 41（8）： 2819-2825.
45	SONG W J， TANG Y K， LIU J M， et al. Mild pretreatment synthesis of coal-based phosphorus-doped hard carbon with extended plateau capacity as anodes for sodium-ion batteries［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2023， 946： 169384.
46	LIANG H， ZENG H H， XING B L， et al. N/O/P ternary-doped coal-based hierarchical porous carbon networks for high lithium-ion storage performance［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2023， 968： 172015.
47	ZENG H H， XING B L， ZHANG C X， et al. Edge-boron-functionalized coal-derived graphite nanoplatelets prepared via mechanochemical modification for enhanced Li-ion storage at low-voltage plateau［J］. Applied Surface Science， 2023， 621： 156870.
48	LI R， YANG B R， HU A J， et al. Heteroatom screening and microcrystal regulation of coal-derived hard carbon promises high-performance sodium-ion batteries［J］. Carbon， 2023， 215： 118489.
49	WEI C H， DANG W L， LI M J， et al. Hard-soft carbon nanocomposite prepared by pyrolyzing biomass and coal waste as sodium-ion batteries anode material［J］. Materials Letters， 2023， 330： 133368.
50	CHEN H， SUN N， WANG Y X， et al. One stone two birds： Pitch assisted microcrystalline regulation and defect engineering in coal-based carbon anodes for sodium-ion batteries［J］. Energy Storage Materials， 2023， 56： 532-541.
51	ZHOU Z R， WANG Z J， FAN L S. In-situ capture defects through molecule grafting assisted in coal-based hard carbon anode for sodium-ion batteries［J］. Chemical Engineering Journal， 2024， 490： 151428.
52	王国良，狄心莹. 一种基于PCA和相关向量机的锂电池在线寿命预测方法研究［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2022， 42（6）： 84-89.
	WANG G L， DI X Y. A method for online life prediction of lithium batteries based on PCA and relevance vector machine［J］. Journal of Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology， 2022， 42（6）： 84-89.
53	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.
54	颜冬，张舒冬，李昱颖，等. 双碳基电极锂离子电容器的研究进展［J］. 当代化工， 2023， 52（7）： 1721-1728.
	YAN D， ZHANG S D， LI Y Y， et al. Research progress of lithium-ion capacitors with double carbon-based electrodes［J］. Contemporary Chemical Industry， 2023， 52（7）： 1721-1728.
55	王昱官，王伟. 二硒化锡纳米片的制备及其储钠行为研究［J］. 低碳化学与化工， 2023， 48（6）： 76-82.
	WANG Y G， WANG W. Study on preparation of tin diselenide nanosheets and their sodium storage behaviors［J］. Low-Carbon Chemistry and Chemical Engineering， 2023， 48（6）： 76-82.
56	刘文蕊. 废旧锂离子电池关键组件回收技术研究进展［J］. 化工环保， 2024， 44（4）： 469-478.
	LIU W R. Research progress on recycling technology of key components for spent lithium-ion batteries［J］. Environmental Protection of Chemical Industry， 2024， 44（4）： 469-478.
57	朱凌岳，朱丽娜，纪德强，等. 低阶煤熔融体系电化学转化过程［J］. 东北石油大学学报， 2020， 44（4）： 72-76.
	ZHU L Y， ZHU L N， JI D Q， et al. Electrochemical conversion process of low-rank coal in the molten system［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2020， 44（4）： 72-76.

[1]	贺东玮, 张彬, 尤雅. 钠离子单晶层状氧化物正极研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 1-12.
[2]	魏婷婷, 王振宏, 伊廷锋. 钠离子电池层状正极材料相变与电荷补偿机制[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 13-24.
[3]	赵昊, 刘香楠, 王静怡, 吕佳璇, 王翔, 郎笑石, 蔡克迪. 钠离子电池正极材料研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 35-43.
[4]	吕士忠, 李天龙, 房睿, 卢宝光, 郑成志, 赵磊, 邓亮, 王振波. 磷酸钒钠正极材料的Zr⁴⁺掺杂改性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 44-51.
[5]	张博杨, 滕彦梅. O3型层状过渡金属氧化物正极材料高电压稳定性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 52-61.
[6]	刘海燕, 苑仁鲁, 龙厚坤, 沈祺, 赵博洋, 刘学伟, 宋怀河. 纤维素衍生硬炭的结构调控和储钠性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 62-73.
[7]	赵恩锋, 武宏大, 蔡天凤, 杨占旭. 钠离子电池电解液添加剂的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(5): 65-72.
[8]	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.
[9]	盛大伟, DIN HASEEB UD, 张济原, 刘晓旭. 还原氧化石墨烯微观结构调控及储钠性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 48-56.
[10]	贺柳洋, 李晓杰, 王婵, 段春阳. 石墨烯掺杂对三元钠离子电池正极材料电化学性能的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 64-72.
[11]	陈基鹏, 杨阳佳子, 李鹏, 张健, 胡绍争. 石墨相氮化碳的制备、改性及应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(5): 45-51.
[12]	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.
[13]	张博, 郄佳鑫, 曹永安, 赵久成, 吴军, 王文举. 基于可视化分析辅助探究钠离子电池硬碳负极研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 1-9.
[14]	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.
[15]	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.

钠离子电池煤基硬碳负极材料的改性制备与应用挑战

Challenges in Modified Preparation and Application of Coal-Based Hard Carbon Anode Materials for Sodium-Ion Batteries

HTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 6

参考文献 57

相关文章 15

编辑推荐

Metrics