图1
用不同前驱体制备的硬碳及其电化学性能[21 -24 ,26 ]
Fig.1
Hard carbon prepared by different precursors and their electrochemical properties[21 -24 ,26 ]
图2
表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图[33 ]
Fig.2
Schematic diagram of electrochemical performance, cycling stability, and Al2 O3 layer improvement of hard carbon electrode ICE by surface modification of hard carbon[33 ]
图3
碳包覆MgO以及硬碳的扫描电镜图[38 ]
Fig.3
Scanning electron microscopy images of carbon coated MgO and hard carbon[38 ]
图4
混合硬碳前驱体的制备示意图及其XRD谱图、SIBs初始充放电曲线[41 ]
Fig.4
Schematic diagram of preparation of mixed hard carbon precursor and its XRD spectrum, initial charge discharge curve of SIBs[41 ]
图5
硬碳碳化诱导和杂原子掺杂机理[42 ,44 ]
Fig.5
Carbonization-induced mechanisms and heteroatom doping in hard carbon[42 ,44 ]
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 相比于生物质前驱体,聚合物衍生的硬碳在成分和结构调控方面具有显著优势.例如,一种具有纳米线微观结构的硬碳材料,其优异的电解液亲和力有助于缩短离子传输距离,从而提升其充放电倍率性能[11 ] .另外,球形硬碳材料的低比表面积可减少固体电解质界面(SEI)层的过度生成,进而得到良好的ICE.X.ZHANG等[27 ] 通过简单的溶液法,对酚醛树脂进行高温处理制备了一系列结构参数可调的硬碳纳米球材料.结果表明,由于这些材料具有相对较低的比表面积(约11.6 m2 / g)和较低的I D /I G (约1.58),在1 500 ℃的碳化条件下得到的酚醛树脂衍生硬碳具有高达约73.6%的ICE.综上可知,可再生前驱体在高性能SIBs领域具有极大的应用前景. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1 -2 ] .然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3 -4 ] .钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5 ] ,钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6 ] .因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池.硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点.硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能.通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7 -9 ] .近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10 -13 ] .研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+ 在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14 -16 ] .因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+ 嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17 -20 ] .然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题. ...
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... 硬碳的性能在很大程度上取决于所选前驱体的类型及其设计.硬碳前驱体主要分为4类:生物质前驱体、聚合物前驱体、沥青基前驱体和煤基前驱体.这4类前驱体在硬碳的微观结构、电化学性能以及制备工艺方面存在显著差异,从而影响硬碳的比容量和循环稳定性,并决定其实际应用效果.生物质材料,如秸秆和坚果壳,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,由于其天然的纤维结构和丰富的氧官能团,生物质前驱体能够在碳化过程中保留较复杂的孔隙结构(见图1(a) —(c))[21 -24 ] .Y.H.WAN等[25 ] 研究了纤维素和木质素衍生的硬碳对钠的储存行为.结果表明,纤维素衍生的硬碳能提供理想的初始库仑效率(ICE,87.1%)、高可逆比容量(343.3 mA·h/g)和出色的倍率性能.F.XIE等[26 ] 制备了一系列纳米晶纤维素衍生的硬碳(见图1(d) ),并通过各种预处理策略合理调整微观结构,优化了ICE.结果表明,通过水热碳化、酸水解和高温处理可以有效调节官能团、孔隙和缺陷,改进后的硬碳可逆比容量可达314.0 mA·h/g、ICE高达90.4%. ...
... 选择合适的硬碳前驱体,尤其是碳源,对实现高性能硬碳负极至关重要.研究表明,原材料的结构和成分直接影响硬碳的微观结构和电化学性能.例如,采用含有较高无序碳结构的物质作为前驱体,通常能得到较丰富的孔隙结构和较大的比表面积,从而在Na
+ 嵌入和脱嵌过程中表现出较好的动力学性质.此外,先进的表征技术,例如X射线衍射(XRD)和核磁共振(NMR),被广泛应用于评估原材料的结构特性和导电性,以指导硬碳电极的制备和改性.通过精准调控制备参数,可以进一步优化硬碳的结构和提升电池的性能.经过多层次的优化制备的硬碳电极材料在其循环稳定性和充放电能力方面均优于传统材料.
图1 用不同前驱体制备的硬碳及其电化学性能[21 -24 ,26 ] Hard carbon prepared by different precursors and their electrochemical properties[21 -24 ,26 ] Fig.1 ![]()
2 硬碳表面修饰 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
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Fig.1 ![]()
2 硬碳表面修饰 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
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... 硬碳的性能在很大程度上取决于所选前驱体的类型及其设计.硬碳前驱体主要分为4类:生物质前驱体、聚合物前驱体、沥青基前驱体和煤基前驱体.这4类前驱体在硬碳的微观结构、电化学性能以及制备工艺方面存在显著差异,从而影响硬碳的比容量和循环稳定性,并决定其实际应用效果.生物质材料,如秸秆和坚果壳,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,由于其天然的纤维结构和丰富的氧官能团,生物质前驱体能够在碳化过程中保留较复杂的孔隙结构(见图1(a) —(c))[21 -24 ] .Y.H.WAN等[25 ] 研究了纤维素和木质素衍生的硬碳对钠的储存行为.结果表明,纤维素衍生的硬碳能提供理想的初始库仑效率(ICE,87.1%)、高可逆比容量(343.3 mA·h/g)和出色的倍率性能.F.XIE等[26 ] 制备了一系列纳米晶纤维素衍生的硬碳(见图1(d) ),并通过各种预处理策略合理调整微观结构,优化了ICE.结果表明,通过水热碳化、酸水解和高温处理可以有效调节官能团、孔隙和缺陷,改进后的硬碳可逆比容量可达314.0 mA·h/g、ICE高达90.4%. ...
... 选择合适的硬碳前驱体,尤其是碳源,对实现高性能硬碳负极至关重要.研究表明,原材料的结构和成分直接影响硬碳的微观结构和电化学性能.例如,采用含有较高无序碳结构的物质作为前驱体,通常能得到较丰富的孔隙结构和较大的比表面积,从而在Na
+ 嵌入和脱嵌过程中表现出较好的动力学性质.此外,先进的表征技术,例如X射线衍射(XRD)和核磁共振(NMR),被广泛应用于评估原材料的结构特性和导电性,以指导硬碳电极的制备和改性.通过精准调控制备参数,可以进一步优化硬碳的结构和提升电池的性能.经过多层次的优化制备的硬碳电极材料在其循环稳定性和充放电能力方面均优于传统材料.
图1 用不同前驱体制备的硬碳及其电化学性能[21 -24 ,26 ] Hard carbon prepared by different precursors and their electrochemical properties[21 -24 ,26 ] Fig.1 ![]()
2 硬碳表面修饰 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
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2 硬碳表面修饰 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
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... 硬碳的性能在很大程度上取决于所选前驱体的类型及其设计.硬碳前驱体主要分为4类:生物质前驱体、聚合物前驱体、沥青基前驱体和煤基前驱体.这4类前驱体在硬碳的微观结构、电化学性能以及制备工艺方面存在显著差异,从而影响硬碳的比容量和循环稳定性,并决定其实际应用效果.生物质材料,如秸秆和坚果壳,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,由于其天然的纤维结构和丰富的氧官能团,生物质前驱体能够在碳化过程中保留较复杂的孔隙结构(见图1(a) —(c))[21 -24 ] .Y.H.WAN等[25 ] 研究了纤维素和木质素衍生的硬碳对钠的储存行为.结果表明,纤维素衍生的硬碳能提供理想的初始库仑效率(ICE,87.1%)、高可逆比容量(343.3 mA·h/g)和出色的倍率性能.F.XIE等[26 ] 制备了一系列纳米晶纤维素衍生的硬碳(见图1(d) ),并通过各种预处理策略合理调整微观结构,优化了ICE.结果表明,通过水热碳化、酸水解和高温处理可以有效调节官能团、孔隙和缺陷,改进后的硬碳可逆比容量可达314.0 mA·h/g、ICE高达90.4%. ...
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... 硬碳的性能在很大程度上取决于所选前驱体的类型及其设计.硬碳前驱体主要分为4类:生物质前驱体、聚合物前驱体、沥青基前驱体和煤基前驱体.这4类前驱体在硬碳的微观结构、电化学性能以及制备工艺方面存在显著差异,从而影响硬碳的比容量和循环稳定性,并决定其实际应用效果.生物质材料,如秸秆和坚果壳,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,由于其天然的纤维结构和丰富的氧官能团,生物质前驱体能够在碳化过程中保留较复杂的孔隙结构(见图1(a) —(c))[21 -24 ] .Y.H.WAN等[25 ] 研究了纤维素和木质素衍生的硬碳对钠的储存行为.结果表明,纤维素衍生的硬碳能提供理想的初始库仑效率(ICE,87.1%)、高可逆比容量(343.3 mA·h/g)和出色的倍率性能.F.XIE等[26 ] 制备了一系列纳米晶纤维素衍生的硬碳(见图1(d) ),并通过各种预处理策略合理调整微观结构,优化了ICE.结果表明,通过水热碳化、酸水解和高温处理可以有效调节官能团、孔隙和缺陷,改进后的硬碳可逆比容量可达314.0 mA·h/g、ICE高达90.4%. ...
... 选择合适的硬碳前驱体,尤其是碳源,对实现高性能硬碳负极至关重要.研究表明,原材料的结构和成分直接影响硬碳的微观结构和电化学性能.例如,采用含有较高无序碳结构的物质作为前驱体,通常能得到较丰富的孔隙结构和较大的比表面积,从而在Na
+ 嵌入和脱嵌过程中表现出较好的动力学性质.此外,先进的表征技术,例如X射线衍射(XRD)和核磁共振(NMR),被广泛应用于评估原材料的结构特性和导电性,以指导硬碳电极的制备和改性.通过精准调控制备参数,可以进一步优化硬碳的结构和提升电池的性能.经过多层次的优化制备的硬碳电极材料在其循环稳定性和充放电能力方面均优于传统材料.
图1 用不同前驱体制备的硬碳及其电化学性能[21 -24 ,26 ] Hard carbon prepared by different precursors and their electrochemical properties[21 -24 ,26 ] Fig.1 ![]()
2 硬碳表面修饰 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
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2 硬碳表面修饰 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
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... 相比于生物质前驱体,聚合物衍生的硬碳在成分和结构调控方面具有显著优势.例如,一种具有纳米线微观结构的硬碳材料,其优异的电解液亲和力有助于缩短离子传输距离,从而提升其充放电倍率性能[11 ] .另外,球形硬碳材料的低比表面积可减少固体电解质界面(SEI)层的过度生成,进而得到良好的ICE.X.ZHANG等[27 ] 通过简单的溶液法,对酚醛树脂进行高温处理制备了一系列结构参数可调的硬碳纳米球材料.结果表明,由于这些材料具有相对较低的比表面积(约11.6 m2 / g)和较低的I D /I G (约1.58),在1 500 ℃的碳化条件下得到的酚醛树脂衍生硬碳具有高达约73.6%的ICE.综上可知,可再生前驱体在高性能SIBs领域具有极大的应用前景. ...
... 该设计通过热处理结合后续酸浸处理,有效地促进了纳米尺寸MgO颗粒的形成,然后通过去除MgO颗粒使硬碳内产生纳米孔,实现了88.0%的ICE和478.0 mA·h/ g的超高可逆比容量.X.ZHANG等[27 ] 提出了一种与传统高温闭孔和成孔策略不同的方法,通过甲烷化学气相沉积(CVD)方法进行筛分,制备了孔入口收紧的碳材料,从而降低了比表面积,并抑制了SEI层的过度形成.该方法通过钠簇调节孔径,实现对可逆比容量的控制,与未处理的多孔碳负极的低ICE(15.0%)和39.0 mA·h/ g的可逆比容量相比,所得筛分碳具有较高的ICE(77.0%)和可逆比容量(328.0 mA·h/ g).这种筛分碳策略在商业多孔碳改性领域显示出较好的应用潜力. ...
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... 尽管聚合物前驱体具有较大的优势,但高成本限制了其大规模应用.沥青基前驱体来源广泛,其碳产率高于树脂前驱体和生物质前驱体.由于沥青在高温下易石墨化,直接碳化得到的硬碳性能通常不理想.Y.X.LU等[28 ] 以沥青为前驱体,在碳化前引入了预氧化工艺.结果表明,前驱体的交联程度得到了有效提高,防止了沥青在高温碳化步骤中的熔化和有序复合;预氧化沥青基硬碳的可逆比容量为300.6 mA·h/ g,当电流密度为30 mA/ g时ICE高达88.6%,远远优于长期有序的原始沥青衍生碳.预氧化工艺具有普遍性,可用于提高生物质和树脂前驱体的性能.H.WANG等[29 ] 的研究结果表明,用聚磷酸改性沥青,磷元素的引入使赝石墨区域的分子层结构变形,扩大了石墨层间距,增加了内部封闭微孔的数量,从而提高了基体的储钠能力;与未掺杂硬碳相比,磷掺杂硬碳在电流密度为50 mA/ g下的可逆比容量由240.3 mA·h/ g增加到359.9 mA·h/ g,ICE由62.3%提升到72.7%;与高石墨化软碳相比,磷掺杂沥青衍生碳的电导率显著提高.煤和石油为主要能源,其中煤因其高碳产率成为硬碳的优选前驱体.Y.M.LI等[30 ] 以无烟煤为前驱体制备煤基硬碳,其可逆比容量为222.0 mA·h/ g,当电流密度为30 mA/ g时ICE为81.0%.R.LI等[31 ] 研究结果表明,采用氨预处理无烟煤制备的硝基煤基硬碳具有较优的速率性能和电化学稳定性,当电流密度为100 mA/ g时可逆比容量为220.0 mA·h/ g,ICE为83.3%. ...
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... 尽管聚合物前驱体具有较大的优势,但高成本限制了其大规模应用.沥青基前驱体来源广泛,其碳产率高于树脂前驱体和生物质前驱体.由于沥青在高温下易石墨化,直接碳化得到的硬碳性能通常不理想.Y.X.LU等[28 ] 以沥青为前驱体,在碳化前引入了预氧化工艺.结果表明,前驱体的交联程度得到了有效提高,防止了沥青在高温碳化步骤中的熔化和有序复合;预氧化沥青基硬碳的可逆比容量为300.6 mA·h/ g,当电流密度为30 mA/ g时ICE高达88.6%,远远优于长期有序的原始沥青衍生碳.预氧化工艺具有普遍性,可用于提高生物质和树脂前驱体的性能.H.WANG等[29 ] 的研究结果表明,用聚磷酸改性沥青,磷元素的引入使赝石墨区域的分子层结构变形,扩大了石墨层间距,增加了内部封闭微孔的数量,从而提高了基体的储钠能力;与未掺杂硬碳相比,磷掺杂硬碳在电流密度为50 mA/ g下的可逆比容量由240.3 mA·h/ g增加到359.9 mA·h/ g,ICE由62.3%提升到72.7%;与高石墨化软碳相比,磷掺杂沥青衍生碳的电导率显著提高.煤和石油为主要能源,其中煤因其高碳产率成为硬碳的优选前驱体.Y.M.LI等[30 ] 以无烟煤为前驱体制备煤基硬碳,其可逆比容量为222.0 mA·h/ g,当电流密度为30 mA/ g时ICE为81.0%.R.LI等[31 ] 研究结果表明,采用氨预处理无烟煤制备的硝基煤基硬碳具有较优的速率性能和电化学稳定性,当电流密度为100 mA/ g时可逆比容量为220.0 mA·h/ g,ICE为83.3%. ...
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... 尽管聚合物前驱体具有较大的优势,但高成本限制了其大规模应用.沥青基前驱体来源广泛,其碳产率高于树脂前驱体和生物质前驱体.由于沥青在高温下易石墨化,直接碳化得到的硬碳性能通常不理想.Y.X.LU等[28 ] 以沥青为前驱体,在碳化前引入了预氧化工艺.结果表明,前驱体的交联程度得到了有效提高,防止了沥青在高温碳化步骤中的熔化和有序复合;预氧化沥青基硬碳的可逆比容量为300.6 mA·h/ g,当电流密度为30 mA/ g时ICE高达88.6%,远远优于长期有序的原始沥青衍生碳.预氧化工艺具有普遍性,可用于提高生物质和树脂前驱体的性能.H.WANG等[29 ] 的研究结果表明,用聚磷酸改性沥青,磷元素的引入使赝石墨区域的分子层结构变形,扩大了石墨层间距,增加了内部封闭微孔的数量,从而提高了基体的储钠能力;与未掺杂硬碳相比,磷掺杂硬碳在电流密度为50 mA/ g下的可逆比容量由240.3 mA·h/ g增加到359.9 mA·h/ g,ICE由62.3%提升到72.7%;与高石墨化软碳相比,磷掺杂沥青衍生碳的电导率显著提高.煤和石油为主要能源,其中煤因其高碳产率成为硬碳的优选前驱体.Y.M.LI等[30 ] 以无烟煤为前驱体制备煤基硬碳,其可逆比容量为222.0 mA·h/ g,当电流密度为30 mA/ g时ICE为81.0%.R.LI等[31 ] 研究结果表明,采用氨预处理无烟煤制备的硝基煤基硬碳具有较优的速率性能和电化学稳定性,当电流密度为100 mA/ g时可逆比容量为220.0 mA·h/ g,ICE为83.3%. ...
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... 尽管聚合物前驱体具有较大的优势,但高成本限制了其大规模应用.沥青基前驱体来源广泛,其碳产率高于树脂前驱体和生物质前驱体.由于沥青在高温下易石墨化,直接碳化得到的硬碳性能通常不理想.Y.X.LU等[28 ] 以沥青为前驱体,在碳化前引入了预氧化工艺.结果表明,前驱体的交联程度得到了有效提高,防止了沥青在高温碳化步骤中的熔化和有序复合;预氧化沥青基硬碳的可逆比容量为300.6 mA·h/ g,当电流密度为30 mA/ g时ICE高达88.6%,远远优于长期有序的原始沥青衍生碳.预氧化工艺具有普遍性,可用于提高生物质和树脂前驱体的性能.H.WANG等[29 ] 的研究结果表明,用聚磷酸改性沥青,磷元素的引入使赝石墨区域的分子层结构变形,扩大了石墨层间距,增加了内部封闭微孔的数量,从而提高了基体的储钠能力;与未掺杂硬碳相比,磷掺杂硬碳在电流密度为50 mA/ g下的可逆比容量由240.3 mA·h/ g增加到359.9 mA·h/ g,ICE由62.3%提升到72.7%;与高石墨化软碳相比,磷掺杂沥青衍生碳的电导率显著提高.煤和石油为主要能源,其中煤因其高碳产率成为硬碳的优选前驱体.Y.M.LI等[30 ] 以无烟煤为前驱体制备煤基硬碳,其可逆比容量为222.0 mA·h/ g,当电流密度为30 mA/ g时ICE为81.0%.R.LI等[31 ] 研究结果表明,采用氨预处理无烟煤制备的硝基煤基硬碳具有较优的速率性能和电化学稳定性,当电流密度为100 mA/ g时可逆比容量为220.0 mA·h/ g,ICE为83.3%. ...
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... 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
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... 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
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Schematic diagram of electrochemical performance, cycling stability, and Al2 O3 layer improvement of hard carbon electrode ICE by surface modification of hard carbon[33 ] Fig.2 ![]()
在硬碳材料的预处理和改性研究领域,表面改性作为提高SIBs性能的关键策略,受到了广泛关注.通过对硬碳表面进行特定的化学改性,可以显著提高其在SIBs中的电化学性能.研究表明,引入含氧官能团能显著提高硬碳表面的亲水性,进而促进电解液与硬碳的接触,改善Na+ 的浸润和扩散性能.同时,引入的含氮官能团可为Na+ 提供额外的吸附位点,有助于减少电池在首次循环中的不可逆容量损失.硬碳材料表面改性的作用机理涉及不同官能团与电解液之间的相互作用,以及这些官能团对硬碳材料的孔隙结构和电荷分布的影响.固定在硬碳表面的含硫官能团通过形成S—Na,增强对Na+ 的化学吸附,不仅能改善电池的充放电效率,还能提高其循环稳定性能.目前,研究者围绕不同的表面改性方法对硬碳电极性能的影响进行了研究,重点研究了氮掺杂、热解糖或聚合物前驱体生成含有功能性官能团的碳材料等策略.这些改性方法对硬碳结构和钠存储机制的综合影响已通过实验逐步量化,推动了硬碳技术向实际应用的转化. ...
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33 ]
Fig.2 ![]()
在硬碳材料的预处理和改性研究领域,表面改性作为提高SIBs性能的关键策略,受到了广泛关注.通过对硬碳表面进行特定的化学改性,可以显著提高其在SIBs中的电化学性能.研究表明,引入含氧官能团能显著提高硬碳表面的亲水性,进而促进电解液与硬碳的接触,改善Na+ 的浸润和扩散性能.同时,引入的含氮官能团可为Na+ 提供额外的吸附位点,有助于减少电池在首次循环中的不可逆容量损失.硬碳材料表面改性的作用机理涉及不同官能团与电解液之间的相互作用,以及这些官能团对硬碳材料的孔隙结构和电荷分布的影响.固定在硬碳表面的含硫官能团通过形成S—Na,增强对Na+ 的化学吸附,不仅能改善电池的充放电效率,还能提高其循环稳定性能.目前,研究者围绕不同的表面改性方法对硬碳电极性能的影响进行了研究,重点研究了氮掺杂、热解糖或聚合物前驱体生成含有功能性官能团的碳材料等策略.这些改性方法对硬碳结构和钠存储机制的综合影响已通过实验逐步量化,推动了硬碳技术向实际应用的转化. ...
1
... 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
1
... 表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失.目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面.例如,Y.M.LI等[32 ] 在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%).除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2 O3 也是一种优化碳/电解质界面的方法.该方法将约2 nm厚的Al2 O3 薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/ g提升至355.0 mA·h/ g,ICE由67.0%提升至75.0%.然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性.为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33 ] 通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2 O3 硬碳涂层.结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2 / g降低到6.91 m2 / g;沉积的Al2 O3 层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%.具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能.图2 为表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2 O3 层改善硬碳电极ICE的示意图.C.X.YU等[34 ] 还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法.该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%.该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案.此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能.为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果.然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果.结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35 ] 开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺.该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/ g增加到328.0 mA·h/ g,但ICE仅为80.0%.由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战. ...
1
... 纳米孔包括开孔和闭孔,是硬碳负极材料必不可少的组成部分.普遍认为,开孔结构与比表面积密切相关,过量SEI层的形成可能会影响ICE,而闭孔则有助于为Na+ 提供活性位点.因此,调节硬碳负极的孔结构对优化其储钠行为,尤其是提升ICE具有重要意义.Y.Q.LI等[36 ] 研究了软木衍生的硬碳负极的复杂孔结构与其电化学性能之间的关系.结果表明,闭孔数量和比表面积与温度有显著的正相关性,在1 600 ℃下制备的样品具有高达81.0%的ICE和360.0 mA·h/ g的比容量.S.SAMPATH等[37 ] 通过同时引入羰基和封闭微孔精确调节微观结构,有效改善了竹源硬碳的钠存储性能,其最佳ICE为84.1%.这种简单的孔封闭方法及其揭示的孔结构与电化学性能的关系,为硬碳微观结构的调控提供了重要的指导. ...
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... 纳米孔包括开孔和闭孔,是硬碳负极材料必不可少的组成部分.普遍认为,开孔结构与比表面积密切相关,过量SEI层的形成可能会影响ICE,而闭孔则有助于为Na+ 提供活性位点.因此,调节硬碳负极的孔结构对优化其储钠行为,尤其是提升ICE具有重要意义.Y.Q.LI等[36 ] 研究了软木衍生的硬碳负极的复杂孔结构与其电化学性能之间的关系.结果表明,闭孔数量和比表面积与温度有显著的正相关性,在1 600 ℃下制备的样品具有高达81.0%的ICE和360.0 mA·h/ g的比容量.S.SAMPATH等[37 ] 通过同时引入羰基和封闭微孔精确调节微观结构,有效改善了竹源硬碳的钠存储性能,其最佳ICE为84.1%.这种简单的孔封闭方法及其揭示的孔结构与电化学性能的关系,为硬碳微观结构的调控提供了重要的指导. ...
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... 研究发现,无机材料如MgO、SiO2 、沸石等经常被用来制备具有丰富封闭空隙、可调内部孔径和分布的硬碳[38 -40 ] .图3 为碳包覆MgO以及硬碳的扫描电镜图.A.KAMIYAMA等[41 ] 以葡萄糖和葡萄糖酸镁为原料,通过冷冻干燥工艺混合粉末,设计了全新的硬碳,其制备示意图及XRD谱图、SIBs初始充放电曲线如图4 所示. ...
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38 ]
Scanning electron microscopy images of carbon coated MgO and hard carbon[38 ] Fig.3 ![]()
图4 混合硬碳前驱体的制备示意图及其XRD谱图、SIBs初始充放电曲线[41 ] Schematic diagram of preparation of mixed hard carbon precursor and its XRD spectrum, initial charge discharge curve of SIBs[41 ] Fig.4 ![]()
该设计通过热处理结合后续酸浸处理,有效地促进了纳米尺寸MgO颗粒的形成,然后通过去除MgO颗粒使硬碳内产生纳米孔,实现了88.0%的ICE和478.0 mA·h/ g的超高可逆比容量.X.ZHANG等[27 ] 提出了一种与传统高温闭孔和成孔策略不同的方法,通过甲烷化学气相沉积(CVD)方法进行筛分,制备了孔入口收紧的碳材料,从而降低了比表面积,并抑制了SEI层的过度形成.该方法通过钠簇调节孔径,实现对可逆比容量的控制,与未处理的多孔碳负极的低ICE(15.0%)和39.0 mA·h/ g的可逆比容量相比,所得筛分碳具有较高的ICE(77.0%)和可逆比容量(328.0 mA·h/ g).这种筛分碳策略在商业多孔碳改性领域显示出较好的应用潜力. ...
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Fig.3 ![]()
图4 混合硬碳前驱体的制备示意图及其XRD谱图、SIBs初始充放电曲线[41 ] Schematic diagram of preparation of mixed hard carbon precursor and its XRD spectrum, initial charge discharge curve of SIBs[41 ] Fig.4 ![]()
该设计通过热处理结合后续酸浸处理,有效地促进了纳米尺寸MgO颗粒的形成,然后通过去除MgO颗粒使硬碳内产生纳米孔,实现了88.0%的ICE和478.0 mA·h/ g的超高可逆比容量.X.ZHANG等[27 ] 提出了一种与传统高温闭孔和成孔策略不同的方法,通过甲烷化学气相沉积(CVD)方法进行筛分,制备了孔入口收紧的碳材料,从而降低了比表面积,并抑制了SEI层的过度形成.该方法通过钠簇调节孔径,实现对可逆比容量的控制,与未处理的多孔碳负极的低ICE(15.0%)和39.0 mA·h/ g的可逆比容量相比,所得筛分碳具有较高的ICE(77.0%)和可逆比容量(328.0 mA·h/ g).这种筛分碳策略在商业多孔碳改性领域显示出较好的应用潜力. ...
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... 研究发现,无机材料如MgO、SiO2 、沸石等经常被用来制备具有丰富封闭空隙、可调内部孔径和分布的硬碳[38 -40 ] .图3 为碳包覆MgO以及硬碳的扫描电镜图.A.KAMIYAMA等[41 ] 以葡萄糖和葡萄糖酸镁为原料,通过冷冻干燥工艺混合粉末,设计了全新的硬碳,其制备示意图及XRD谱图、SIBs初始充放电曲线如图4 所示. ...
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... 研究发现,无机材料如MgO、SiO2 、沸石等经常被用来制备具有丰富封闭空隙、可调内部孔径和分布的硬碳[38 -40 ] .图3 为碳包覆MgO以及硬碳的扫描电镜图.A.KAMIYAMA等[41 ] 以葡萄糖和葡萄糖酸镁为原料,通过冷冻干燥工艺混合粉末,设计了全新的硬碳,其制备示意图及XRD谱图、SIBs初始充放电曲线如图4 所示. ...
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... 研究发现,无机材料如MgO、SiO2 、沸石等经常被用来制备具有丰富封闭空隙、可调内部孔径和分布的硬碳[38 -40 ] .图3 为碳包覆MgO以及硬碳的扫描电镜图.A.KAMIYAMA等[41 ] 以葡萄糖和葡萄糖酸镁为原料,通过冷冻干燥工艺混合粉末,设计了全新的硬碳,其制备示意图及XRD谱图、SIBs初始充放电曲线如图4 所示. ...
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Schematic diagram of preparation of mixed hard carbon precursor and its XRD spectrum, initial charge discharge curve of SIBs[41 ] Fig.4 ![]()
该设计通过热处理结合后续酸浸处理,有效地促进了纳米尺寸MgO颗粒的形成,然后通过去除MgO颗粒使硬碳内产生纳米孔,实现了88.0%的ICE和478.0 mA·h/ g的超高可逆比容量.X.ZHANG等[27 ] 提出了一种与传统高温闭孔和成孔策略不同的方法,通过甲烷化学气相沉积(CVD)方法进行筛分,制备了孔入口收紧的碳材料,从而降低了比表面积,并抑制了SEI层的过度形成.该方法通过钠簇调节孔径,实现对可逆比容量的控制,与未处理的多孔碳负极的低ICE(15.0%)和39.0 mA·h/ g的可逆比容量相比,所得筛分碳具有较高的ICE(77.0%)和可逆比容量(328.0 mA·h/ g).这种筛分碳策略在商业多孔碳改性领域显示出较好的应用潜力. ...
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Fig.4 ![]()
该设计通过热处理结合后续酸浸处理,有效地促进了纳米尺寸MgO颗粒的形成,然后通过去除MgO颗粒使硬碳内产生纳米孔,实现了88.0%的ICE和478.0 mA·h/ g的超高可逆比容量.X.ZHANG等[27 ] 提出了一种与传统高温闭孔和成孔策略不同的方法,通过甲烷化学气相沉积(CVD)方法进行筛分,制备了孔入口收紧的碳材料,从而降低了比表面积,并抑制了SEI层的过度形成.该方法通过钠簇调节孔径,实现对可逆比容量的控制,与未处理的多孔碳负极的低ICE(15.0%)和39.0 mA·h/ g的可逆比容量相比,所得筛分碳具有较高的ICE(77.0%)和可逆比容量(328.0 mA·h/ g).这种筛分碳策略在商业多孔碳改性领域显示出较好的应用潜力. ...
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... 随着碳化温度的升高,硬碳的石墨化程度增加,更多的开孔转化为闭孔,比表面积减小.同时,在此过程中缺陷和氧元素含量降低,由活性位点吸附引起的不可逆容量降低,有利于ICE的提升.但是,碳化温度的升高也会使碳层间距减小,不利于Na+ 的嵌入和脱嵌,导致电极比容量下降.针对这一矛盾,研究者在前驱体中引入金属离子催化剂催化碳化.T.LI等[42 ] 等的研究结果表明,通过与前驱体的螯合作用引入Ni+ ,可促进多孔结构和石墨纳米晶体的形成,在提高比容量的同时可保证较高的ICE(见图5(a) —(b)).J.H.ZHAO等[43 ] 开发了离子辅助催化策略,并研究了离子类型和浓度对性能的影响.结果表明,该策略将纸张衍生的前驱体浸渍适当浓度的Mn2+ 溶液,使Mn2+ 与天然纤维素上的含氧官能团交联,实现了对硬碳石墨化程度的精准调控,消除了缺陷,保持了Na+ 的有效路径;在20 mA /g的电流密度下,可逆比容量由247.0 mA·h/ g增加到336.8 mA·h/ g,ICE由86.5%提升到92.1%. ...
... 在最新的研究中发现,在碳化过程中引入石墨烯等有序碳结构,可以诱导前驱体实现有序排列,并获得性能优异的硬碳.H.M.ZHANG等
[44 ] 的研究结果表明,在酚醛树脂前驱体中加入少量氧化石墨烯(见
图5(c) ),并在高温下直接碳化混合物制备了硬碳,其ICE为90.4%,电流密度为30 mA/g时可逆比容量高达343 mA·h
/ g;由于石墨烯与树脂前驱体接触密切,石墨烯附近的芳香环前驱体在热解过程中倾向于沿石墨烯层定向排列;碳原子经历了从sp
3 到sp
2 杂化的显著转变,使形成的硬碳结构缺陷相比未引入石墨烯硬碳的更少,比表面积更小,并形成了长程有序的碳层结构.X.X.HE等
[45 ] 将沥青浸泡的纸在高温下碳化,设计了一种软碳和硬碳的复合材料,并对该复合材料的结构进行了研究.结果表明,该复合材料的ICE高达94.1%,这说明在石墨的作用下,软碳前驱体(沥青)和硬碳前驱体(纸)在高温碳化过程中均能获得较高的有序性结构和较低的缺陷密度.X.W.LI等
[46 ] 采用石墨板固定碳化,以棉花为前驱体制备硬碳,并对其电化学性能进行了研究.结果表明,该材料的ICE为95.0%,可逆比容量为343.0 mA·h
/ g;该方法将前驱体与石墨模板紧密接触后煅烧,实现了石墨晶体在硬碳中的大面积互生;这类石墨晶体是一种新型的碳同素异形体,与石墨相比,它的晶胞尺寸和碳层间距均得到扩大,可以更好地实现Na
+ 的嵌入和脱嵌.高度结晶的碳基体缺陷较少,从而可减少第一次循环中的不可逆比容量损失.在此基础上,研究者
[46 ] 进一步使用蛋壳膜作为前驱体,凭借其更有序的原始结构,可与石墨模板接触得更紧密;制备的硬碳具有99.5%的高ICE,可逆比容量为327 mA·h
/ g,刷新了SIBs硬碳ICE的最高纪录.
图5 硬碳碳化诱导和杂原子掺杂机理[42 ,44 ] Carbonization-induced mechanisms and heteroatom doping in hard carbon[42 ,44 ] Fig.5 ![]()
5 结 论 本综述综合分析了硬碳材料作为SIBs负极材料的最新研究进展.硬碳的微观结构,尤其是其孔隙特性,对电池的储钠行为和电化学性能具有至关重要的影响.研究表明,硬碳中的闭孔结构可有效提供Na+ 的活性位点,从而显著提升ICE和电池的整体充放电性能.此外,硬碳的比表面积和孔隙结构可通过调控热处理温度来优化,以减少SEI层的过量形成,进而降低首次充放电过程中不可逆比容量的损失. ...
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42 ,
44 ]
Fig.5 ![]()
5 结 论 本综述综合分析了硬碳材料作为SIBs负极材料的最新研究进展.硬碳的微观结构,尤其是其孔隙特性,对电池的储钠行为和电化学性能具有至关重要的影响.研究表明,硬碳中的闭孔结构可有效提供Na+ 的活性位点,从而显著提升ICE和电池的整体充放电性能.此外,硬碳的比表面积和孔隙结构可通过调控热处理温度来优化,以减少SEI层的过量形成,进而降低首次充放电过程中不可逆比容量的损失. ...
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... 随着碳化温度的升高,硬碳的石墨化程度增加,更多的开孔转化为闭孔,比表面积减小.同时,在此过程中缺陷和氧元素含量降低,由活性位点吸附引起的不可逆容量降低,有利于ICE的提升.但是,碳化温度的升高也会使碳层间距减小,不利于Na+ 的嵌入和脱嵌,导致电极比容量下降.针对这一矛盾,研究者在前驱体中引入金属离子催化剂催化碳化.T.LI等[42 ] 等的研究结果表明,通过与前驱体的螯合作用引入Ni+ ,可促进多孔结构和石墨纳米晶体的形成,在提高比容量的同时可保证较高的ICE(见图5(a) —(b)).J.H.ZHAO等[43 ] 开发了离子辅助催化策略,并研究了离子类型和浓度对性能的影响.结果表明,该策略将纸张衍生的前驱体浸渍适当浓度的Mn2+ 溶液,使Mn2+ 与天然纤维素上的含氧官能团交联,实现了对硬碳石墨化程度的精准调控,消除了缺陷,保持了Na+ 的有效路径;在20 mA /g的电流密度下,可逆比容量由247.0 mA·h/ g增加到336.8 mA·h/ g,ICE由86.5%提升到92.1%. ...
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... 在最新的研究中发现,在碳化过程中引入石墨烯等有序碳结构,可以诱导前驱体实现有序排列,并获得性能优异的硬碳.H.M.ZHANG等[44 ] 的研究结果表明,在酚醛树脂前驱体中加入少量氧化石墨烯(见图5(c) ),并在高温下直接碳化混合物制备了硬碳,其ICE为90.4%,电流密度为30 mA/g时可逆比容量高达343 mA·h/ g;由于石墨烯与树脂前驱体接触密切,石墨烯附近的芳香环前驱体在热解过程中倾向于沿石墨烯层定向排列;碳原子经历了从sp3 到sp2 杂化的显著转变,使形成的硬碳结构缺陷相比未引入石墨烯硬碳的更少,比表面积更小,并形成了长程有序的碳层结构.X.X.HE等[45 ] 将沥青浸泡的纸在高温下碳化,设计了一种软碳和硬碳的复合材料,并对该复合材料的结构进行了研究.结果表明,该复合材料的ICE高达94.1%,这说明在石墨的作用下,软碳前驱体(沥青)和硬碳前驱体(纸)在高温碳化过程中均能获得较高的有序性结构和较低的缺陷密度.X.W.LI等[46 ] 采用石墨板固定碳化,以棉花为前驱体制备硬碳,并对其电化学性能进行了研究.结果表明,该材料的ICE为95.0%,可逆比容量为343.0 mA·h/ g;该方法将前驱体与石墨模板紧密接触后煅烧,实现了石墨晶体在硬碳中的大面积互生;这类石墨晶体是一种新型的碳同素异形体,与石墨相比,它的晶胞尺寸和碳层间距均得到扩大,可以更好地实现Na+ 的嵌入和脱嵌.高度结晶的碳基体缺陷较少,从而可减少第一次循环中的不可逆比容量损失.在此基础上,研究者[46 ] 进一步使用蛋壳膜作为前驱体,凭借其更有序的原始结构,可与石墨模板接触得更紧密;制备的硬碳具有99.5%的高ICE,可逆比容量为327 mA·h/ g,刷新了SIBs硬碳ICE的最高纪录. ...
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44 ]
Carbonization-induced mechanisms and heteroatom doping in hard carbon[42 ,44 ] Fig.5 ![]()
5 结 论 本综述综合分析了硬碳材料作为SIBs负极材料的最新研究进展.硬碳的微观结构,尤其是其孔隙特性,对电池的储钠行为和电化学性能具有至关重要的影响.研究表明,硬碳中的闭孔结构可有效提供Na+ 的活性位点,从而显著提升ICE和电池的整体充放电性能.此外,硬碳的比表面积和孔隙结构可通过调控热处理温度来优化,以减少SEI层的过量形成,进而降低首次充放电过程中不可逆比容量的损失. ...
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Fig.5 ![]()
5 结 论 本综述综合分析了硬碳材料作为SIBs负极材料的最新研究进展.硬碳的微观结构,尤其是其孔隙特性,对电池的储钠行为和电化学性能具有至关重要的影响.研究表明,硬碳中的闭孔结构可有效提供Na+ 的活性位点,从而显著提升ICE和电池的整体充放电性能.此外,硬碳的比表面积和孔隙结构可通过调控热处理温度来优化,以减少SEI层的过量形成,进而降低首次充放电过程中不可逆比容量的损失. ...
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... 在最新的研究中发现,在碳化过程中引入石墨烯等有序碳结构,可以诱导前驱体实现有序排列,并获得性能优异的硬碳.H.M.ZHANG等[44 ] 的研究结果表明,在酚醛树脂前驱体中加入少量氧化石墨烯(见图5(c) ),并在高温下直接碳化混合物制备了硬碳,其ICE为90.4%,电流密度为30 mA/g时可逆比容量高达343 mA·h/ g;由于石墨烯与树脂前驱体接触密切,石墨烯附近的芳香环前驱体在热解过程中倾向于沿石墨烯层定向排列;碳原子经历了从sp3 到sp2 杂化的显著转变,使形成的硬碳结构缺陷相比未引入石墨烯硬碳的更少,比表面积更小,并形成了长程有序的碳层结构.X.X.HE等[45 ] 将沥青浸泡的纸在高温下碳化,设计了一种软碳和硬碳的复合材料,并对该复合材料的结构进行了研究.结果表明,该复合材料的ICE高达94.1%,这说明在石墨的作用下,软碳前驱体(沥青)和硬碳前驱体(纸)在高温碳化过程中均能获得较高的有序性结构和较低的缺陷密度.X.W.LI等[46 ] 采用石墨板固定碳化,以棉花为前驱体制备硬碳,并对其电化学性能进行了研究.结果表明,该材料的ICE为95.0%,可逆比容量为343.0 mA·h/ g;该方法将前驱体与石墨模板紧密接触后煅烧,实现了石墨晶体在硬碳中的大面积互生;这类石墨晶体是一种新型的碳同素异形体,与石墨相比,它的晶胞尺寸和碳层间距均得到扩大,可以更好地实现Na+ 的嵌入和脱嵌.高度结晶的碳基体缺陷较少,从而可减少第一次循环中的不可逆比容量损失.在此基础上,研究者[46 ] 进一步使用蛋壳膜作为前驱体,凭借其更有序的原始结构,可与石墨模板接触得更紧密;制备的硬碳具有99.5%的高ICE,可逆比容量为327 mA·h/ g,刷新了SIBs硬碳ICE的最高纪录. ...
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... 在最新的研究中发现,在碳化过程中引入石墨烯等有序碳结构,可以诱导前驱体实现有序排列,并获得性能优异的硬碳.H.M.ZHANG等[44 ] 的研究结果表明,在酚醛树脂前驱体中加入少量氧化石墨烯(见图5(c) ),并在高温下直接碳化混合物制备了硬碳,其ICE为90.4%,电流密度为30 mA/g时可逆比容量高达343 mA·h/ g;由于石墨烯与树脂前驱体接触密切,石墨烯附近的芳香环前驱体在热解过程中倾向于沿石墨烯层定向排列;碳原子经历了从sp3 到sp2 杂化的显著转变,使形成的硬碳结构缺陷相比未引入石墨烯硬碳的更少,比表面积更小,并形成了长程有序的碳层结构.X.X.HE等[45 ] 将沥青浸泡的纸在高温下碳化,设计了一种软碳和硬碳的复合材料,并对该复合材料的结构进行了研究.结果表明,该复合材料的ICE高达94.1%,这说明在石墨的作用下,软碳前驱体(沥青)和硬碳前驱体(纸)在高温碳化过程中均能获得较高的有序性结构和较低的缺陷密度.X.W.LI等[46 ] 采用石墨板固定碳化,以棉花为前驱体制备硬碳,并对其电化学性能进行了研究.结果表明,该材料的ICE为95.0%,可逆比容量为343.0 mA·h/ g;该方法将前驱体与石墨模板紧密接触后煅烧,实现了石墨晶体在硬碳中的大面积互生;这类石墨晶体是一种新型的碳同素异形体,与石墨相比,它的晶胞尺寸和碳层间距均得到扩大,可以更好地实现Na+ 的嵌入和脱嵌.高度结晶的碳基体缺陷较少,从而可减少第一次循环中的不可逆比容量损失.在此基础上,研究者[46 ] 进一步使用蛋壳膜作为前驱体,凭借其更有序的原始结构,可与石墨模板接触得更紧密;制备的硬碳具有99.5%的高ICE,可逆比容量为327 mA·h/ g,刷新了SIBs硬碳ICE的最高纪录. ...
... [46 ]进一步使用蛋壳膜作为前驱体,凭借其更有序的原始结构,可与石墨模板接触得更紧密;制备的硬碳具有99.5%的高ICE,可逆比容量为327 mA·h/ g,刷新了SIBs硬碳ICE的最高纪录. ...