西北工業大學：雪松樹皮為原料衍生硬質碳材料作為鈉離子電池陽極

2020-09-06 材料分析與應用

本文要點：

一種簡單且易於規模化的方法從雪松樹皮（CBC）中製備硬質碳材料


成果簡介

近年來，硬質炭材料作為一種具有良好發展前景的鈉離子電池負極材料受到了廣泛的關注。本文，西北工業大學應用化學系黃英教授團隊在《Energy Fuels》期刊發表名為「Cedarwood Bark-Derived Hard Carbon as an Anode for High-Performance Sodium-Ion Batteries」的論文，可再生且便宜的雪松樹皮被用作原料，通過一步碳化來製備雪松樹皮衍生的碳（CBC）材料。在表徵樣品的形態和結構時，結果表明碳化溫度對CBC材料的晶格特性有影響。隨著溫度的升高，材料的（002）晶面間距逐漸減小，晶格的石墨化程度逐漸增大。CBC樣品的電化學性能也受碳化溫度的影響。

結果當碳化溫度為800°C時，該材料具有最佳的電化學性能，在100 mA / g下的首次放電比容量高達547.2 mAh / g，在150次循環後的可逆容量為231.7 mAh / g。即使在200和500 mA / g的電流密度下，電極在500個循環後仍可以分別保持193.4和170.1 mAh / g的比容量。在理論計算中，雪松木樹皮衍生碳的層間距大於適合鈉離子插入的距離。因此，CBC材料可以可逆地嵌入和脫嵌鈉離子，並具有良好的鈉存儲性能。

圖文導讀

圖1. CBC樣品的製備路線和SEM圖像示意圖。


圖2.（a）XRD圖，（b）CBC的拉曼光譜，以及（c）N 2吸附-解析等溫線和插圖中的孔徑分布。


圖3.（a）CBC600，（b）CBC800和（c）CBC1000的HRTEM和SAED圖片。


圖4.（a）CBC600，（b）CBC800和（c）CBC1000的CV曲線。


圖5.（a）在充電和放電過程中鈉離子的存儲行為示意圖。（b）在第五個循環中，CBC電極的放電比容量分別低於與高於0.1V。


圖6.（a）CBC在1 C時的循環性能，（b）倍率容量，（c）CBC800在2和5 C時的長期循環性能以及（d）EIS光譜和等效電路（（d中的插圖））擬合曲線。


小結

簡而言之，以雪松樹皮為原料，並在不同的碳化溫度下進行熱解碳化，從而以良好的性能和低成本合成了硬碳材料。所獲得的硬碳材料均具有比石墨更高的層間距，並且層間距隨著碳化溫度的升高而減小。由於碳結構更加無序，比表面積較大，並且層間距離合適，CBC800具有優異的電化學性能。總之，用於SIB的CBC陽極材料是一種有前途的電極材料，具有低成本，簡單的製備方法和優異的電化學性能。


文獻：


個人簡介：

黃英教授，1961年生，黨員，西北工業大學教授，博士生導師，全國寶鋼優秀教師獎獲得者，陝西省教學名師。現任西北工業大學應用化學系副主任，西安市黏結協會副理事長，《矽酸鹽學報》、《航空學報》、《材料研究學報》與《功能材料與器件學報》審稿專家。陝西省精品課程（化工原理）負責人和陝西省特色專業——化學工程與工藝學科負責人。

主講《化工原理》、《化工原理實驗》等本科生課程和開設《化工過程優化設計》研究生課程，曾獲西北工業大學本科教學最滿意教師和多項優秀教學成果獎獎勵。主編教材5部，主持陝西省教學改革研究項目3項，主編「十一五」國家級立項教材與「十一五」國防科工委立項教材各1部，獲陝西省優秀教學成果2等獎1項，獲西北工業大學第七屆、第八屆優秀教材獎。

近年來主持國家863項目4項、省部級科學基金項目7項、國防橫向課題多項。在國內外發表學術及教學論文130餘篇，以納米材料設計及高分子結構與性能的理論為基礎，圍繞信息功能與高性能高分子材料重點開展以下工作：在新物質、新功能材料研究方面，研究了特定功能納米材料的設計與製備方法；運用高分子的交聯與固化理論及各種交聯手段開展新型功能高分子新材料及其器件研究；在電、磁功能高分子方面，發展其在水汙染治理與功能材料方面的應用，建立的有關新方法在信息存儲、電磁信息材料方面取得了突破。獲國防科工委科技進步獎1項，陝西省科學技術獎3項，西安市科學技術獎1項，第二屆陝西省創意設計大賽獎1項，陝西省工業和信息化廳信息產業科技成果獎1項，陝西省國防科學技術工業委員會科技進步獎1項，申請國家發明專利29項，獲已授權國家發明專利16項。

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