温州大学等：以废泡沫为原料制备碳材料，用于钠离子电池负极

成果简介

储量大、容量高、成本低是无序碳材料作为钠离子电池（SIB）优良负极材料的核心竞争力。而大量有机固体废弃物的存在和不当处理会加重环境负担，因此，将废弃物转化为碳基材料，实现能源的可持续利用意义重大。本文，温州大学侴术雷 教授、Xingqiao Wu、天津工业大学张志佳副教授、Yong Jiang等在《Small》期刊发表名为“Pre-Oxidation Strategy Transforming Waste Foam to Hard Carbon Anodes for Boosting Sodium Storage Performance”的论文，研究报道了一种以废弃生物质泡沫为前驱体的硬质碳材料，该材料可以通过预氧化策略提高钠的储存性能。含氧基团的引入可促进结构交联，抑制高温碳化过程中碳结构的熔融和重排，从而产生具有适当石墨化程度的无序结构。

此外，微孔结构在高温碳化过程中也得到了调节，有利于钠离子在低压高原区的储存。作为电极材料的优化样品表现出优异的可逆比容量（308.0 mAh g-1）和初始库仑效率（ICE，90.1%）。此外，利用废泡沫衍生硬碳阳极和 Na3V2(PO4)3 阴极构建的完整电池具有很高的 ICE 和能量密度。这项研究为将废料转化为钠离子电池的高价值硬碳阳极提供了一种有效的策略。

图文导读

图1、a） 废物衍生碳结构的合成示意图，b–d）WFC-1400、WFOC250-1400和WFOC280-1400的HRTEM图像和相应的FFT图案。右上角的插图显示了相应样品的选区电子衍射（SAED）图案。

图2、a-c) WFC1400、WFOC250-1400 和 WFOC280-1400 的拟合 XRD 图谱，d-f) 拟合拉曼光谱。g) 拟合拉曼光谱和 XRD 图谱中 D 波段和 G 波段的峰面积比。h) N2吸附-解吸等温线，i) 相应样品的BJH孔径分布曲线。

图3、分别为 WFC1400、WFCO250-1400 和 WFOC280-1400 的拟合 XPS 勘测扫描和高分辨率 C 1s a-c) 和 O 1s d-f) 光谱。

图4、a-c) 三种样品的 CV 曲线；d) WFC1400、WFOC250-1400 和 WFOC280-1400 的静电充放电曲线和 e) 循环稳定性；f) Na3V2(PO4)3/WFOC250-1400 全电池的充放电曲线和 g) 循环性能。

图5、a,b) WFC1400 和 WFOC250-1400 的 GITT 曲线，以及 c-d) 相应的 DNa+。e) WFOC250-1400 的钠储存机制示意图。

小结

废泡沫可通过预氧化工艺有效转化为有意义的碳基储能材料，这符合经济可持续发展的理念。因此，通过调节含氧基团的数量和无序程度，我们利用预氧化技术成功地从废泡沫中制备出了高性能 SIB 阳极。优化后的废碳具有良好的储钠性能，在 20 mAh g-1 时的可逆比容量为 308.0，ICE 为 90.1%，循环 100 次后的容量保持率为 85%。组装后的全电池测量也显示出良好的可逆容量，为实用的高能量密度SIB提供了可行性。此外，废物衍生碳材料的钠存储机制是吸附、嵌入和孔隙填充，这可以通过 GITT 分析数据观察到。更重要的是，这种预氧化策略高效实用，在获得高钠储存性能的同时，还能提高碳产量，为开发先进的低成本 SIBs 阳极材料提供了新思路。

文献：

https://doi.org/10.1002/smll.202307132