淀粉也能成为电池？硬碳材料实现高性能钠离子电池

　　【仪器网 行业要闻】高效廉价的规模储能技术是发展风能、太阳能等可再生能源不可或缺的关键技术支撑。我国钠资源丰富、成本低廉，并且钠离子电池被认为是最适合规模储能的新型二次电池，并且有望缓解因锂资源短缺及分布不均所引起的储能发展受限的问题，有着重要的经济价值和战略意义，目前已成为当前国内外研究的热点。
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　　近两年来，国家发改委、国家能源局相继发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》《“十四五”能源领域科技创新规划》《“十四五”新型储能发展实施方案》均提到，要研发钠离子电池等新一代高性能储能技术。工信部明确锂离子电池、钠离子电池等新型电池作为推动新能源产业发展的压舱石，是实现碳达峰碳中和目标的关键支撑。
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　　最初研究钠离子电池时，通常借鉴锂离子电池的研究经验，钠离子电池正极材料的研究得到快速发展，有望在新能源汽车、大规模储能以及储能电网等多个领域中得到应用。然而，由于钠离子与石墨之间所形成的化合物的热力学不稳定性，锂离子电池商业化的负极材料石墨无法直接应用于钠离子电池中。因此，寻找合适的储钠负极材料显得至关重要。
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　　硬炭指的是难石墨化碳，这是一种通过热解高分子聚合物、石油化工产品、生物质等得到的热解碳。由于其前驱体中存在大量H、O、N等杂原子，阻碍了热处理过程中结晶区域的形成，导致在2500℃以上的高温下也很难石墨化。硬炭材料比容量高、结构稳定、循环性能好，且制备工艺简单、环境友好，是极具商业化前景的负极材料。
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　　事实上，硬炭材料的性能不仅与制备方式有关，而且很大程度上取决于所用前驱体的性质。制备硬炭的前驱体一般具有热固性的树脂、聚合物以及生物质等。除碳以外，氧是众多前驱体中存在最多的元素，并且在高温热解及炭化过程中不断释放。因此前驱体中氧含量的多少将会影响其热解过程以及最终炭材料的微观结构。研究前驱体分子结构如何影响热解产物的收率和微观结构参数，将会为优化硬炭前驱体的选择和制备条件提供指导。
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　　中国科学院山西煤化所陈成猛研究员带领的科研团队根据这一设想，利用低温氢气还原策略对酯化淀粉原料进行预处理，通过改变反应温度来调节反应产物前驱体中氧元素含量。随后，他们又对不同样品进一步高温炭化，制备了硬炭材料，也就是通过氧元素含量的变化实现了对最终产物——硬炭的微观结构调控。
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　　同时，为了研究不同的氢气还原反应温度对最终材料结构的影响，科研人员选择了多个还原温度展开试验，发现其作为钠离子电池的负极材料时，样品呈现出高达82.5%的首次库伦效率(即半电池在首次充放电循环中，其充电与放电容量的比值)和369.8mAh/g的比容量(即电极材料容量与其质量的比值)，有力证实了氧元素含量对硬碳材料性能的影响。
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　　该项工作是生物质基硬碳材料中一项重要的研究，拓展了研究员对生物质前驱体中氧含量变化与所对应衍生硬碳微观结构的认识，为开发高容量兼高首次库伦效率的硬碳材料提供了新的借鉴。
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　　钠离子电池因其生产成本低、安全性能高等优势，引起了学术界和工业界的广泛关注和战略布局。而硬炭凭借其自身低成本、低工作电势、高的可逆储钠容量以及高的结构稳定性等优点，成为目前最有前景的钠离子电池负极材料。我们可以相信，以硬碳作为负极的钠离子电池将会走出实验室进入人们的生活，并在低速汽车、大规模储能以及智能电网等领域被广泛应用开来。
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　　(资料参考来源：太原日报、科技日报、中国能源报、百科等)