硬炭是一種鈉離子電池負極材料。它由各種前驅體包括糖類、聚合物以及生物質等在高溫下炭化制備而成。硬炭的性能不僅與制備方式有關，而且很大程度上取決于所用前驅體的性質。研究人員通過調節前驅體中氧元素含量實現了對硬炭微觀結構的調控。
你能想象嗎？通過化學反應，淀粉或許可以成為電池的一部分。近日，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員帶領的科研團隊，利用酯化改性后的淀粉，通過低溫氫氣還原和高溫碳化反應制備了鈉離子電池負極材料——硬炭，相關論文發表于儲能領域頂級期刊《儲能材料》。
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需要研發儲鈉效率更高且廉價穩定的負極材料
當下，鋰離子電池幾乎充斥了可充電電池市場。而我國目前用于制備鋰離子電池的鋰資源主要依賴于進口，成本較高。與之相比，鈉資源分布廣泛，成本低，且鈉離子電池高低溫性能優異，安全性也更加穩定，因此鈉離子電池體系不斷得到關注。
陳成猛介紹，隨著鈉離子電池體系的不斷完善以及學術界和產業界的積極互動，鈉離子電池有望在新能源汽車、大規模儲能以及儲能電網等多個領域中得到應用，是一種很有市場前景的新技術。
而硬炭作為一種新型負極材料，被認為是最具有商業化潛力的鈉離子電池負極材料。它由類石墨的微晶結構和開口的角狀微晶組成，這種獨特的微晶結構不僅可以提供豐富的儲鈉位點，而且其穩定的骨架結構以及較低的工作電勢同樣使它備受關注。
然而，科研人員發現鈉離子電池在實際應用中存在一定阻礙，其中硬炭電極的比容量和首次庫倫效率普遍較低，嚴重限制了鈉離子電池整體電化學性能的發揮。因此需要研發儲鈉效率更高且廉價穩定的負極材料。
為進一步提高硬炭的儲鈉性能，普遍的解決方案是對硬炭表面進行包覆、修飾、雜原子摻雜，或者高溫炭化來調控其微觀結構。但制備方法的高能耗、高復雜性以及摻雜炭材料的高工作電勢需要進一步優化。
通過氧元素含量的變化實現對硬炭微觀結構調控
陳成猛介紹，硬炭是由各種前驅體包括糖類、聚合物以及生物質等在高溫下炭化制備而成的。在研究過程中，陳成猛科研團隊發現硬炭的性能不僅與制備方式有關，而且很大程度上取決于所用前驅體的性質。
“制備硬炭的前驅體一般是具有熱固性的樹脂、聚合物以及生物質等。除碳以外，氧是眾多前驅體中存在最多的元素，并且在高溫熱解及炭化過程中不斷被釋放。”因此，陳成猛表示，前驅體中氧含量的多少將會影響其熱解過程以及最終硬炭的微觀結構。
根據這一設想，陳成猛科研團隊利用低溫氫氣還原策略對酯化淀粉原料進行預處理，通過改變反應溫度來調節反應產物前驅體中氧元素含量。隨后，他們又對不同反應溫度下的樣品進一步高溫炭化，制備了硬炭，也就是通過氧元素含量的變化實現了對最終產物——硬炭的微觀結構調控。
為研究不同的氫氣還原反應溫度對最終材料結構的影響，科研人員選擇了多個還原溫度展開試驗，有力證實了氧元素含量對硬炭性能的影響。
盡管目前的研究成果為后續進行高性能硬炭的開發奠定了良好的基礎，但同時陳成猛也提到，硬炭受不同前驅體和制備條件的影響，其實際結構十分復雜，很難構建一個通用模型。
陳成猛表示，下一步團隊還會從原材料出發，構建硬炭的結構模型，搭建相應的數據庫，并針對特定應用場景進行硬炭的開發，例如高功率、超低溫以及高溫等。
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