惊！中国科大竟然用竹粉制备碳材料，还能用在钠离子电池上？

成果简介

高效的储能系统对于优化可再生能源的利用至关重要。钠离子电池（SIB）由于成本低、钠资源丰富，被认为是下一代低成本储能系统的潜在替代品。然而，钠离子电池的产业化在阳极方面面临巨大挑战。硬碳源自生物质，具有高容量和低成本的特点，是一种很有前景的阳极材料。本文，中国科学技术大学李闯、Prof. Dr. Dongdong Han等研究人员在《ChemistryOpen》期刊发表名为“Preparation of green high-performance biomass-derived hard carbon materials from bamboo powder waste”的论文，研究采用预处理和模板碳化方法，从大量废弃生物质竹粉废料中提取硬碳材料。这种材料应用于钠离子电池时，具有良好的初始库仑效率（78.6%）和良好的循环稳定性。

通常情况下，最佳硬碳材料被用作制备钠离子电池原型的阳极，以展示其潜在应用。该阳极表现出优异的钠存储性能，在 1 C 速率下可逆容量为 303 mAh ⋅ g-1，并具有良好的循环性能，在循环 100 次后仍能保持 92.0% 的容量。这些结果表明，BPPHC 是钠离子电池阳极材料的理想候选材料。这项工作表明，竹粉可以成为钠离子电池的一种低成本阳极材料。

图文导读

图1、BPPHC样品的合成路线和SEM图像示意图。

图2、不同硬碳样品的XRD图谱：（a）BHC在800、900、1000、1100和1200温度下的XRD图谱和（b）BPPHC在1100、1200和1300温度下的XRD图谱。

图3、不同温度下碳化的 BPPHC 的 N2 吸附-解吸等温曲线和相应的孔径分布。(a) BHC 在 1000、1100 和 1200 温度下的 N2 吸附-解吸等温曲线。(b) BPPHC 在 1000、1100 和 1200 温度下的孔径分布图。

图4、（a）BPPHC1000、（b）BPPHC1100、（c）BPPHC1200的TEM图像。（e） BHC1100、（f） BPPHC1100的 EDS 图像。

图5、BHC电极在1000、1100和1200温度下的奈奎斯特阻抗数据，BPPHC电极在1000、1100和1200温度下的奈奎斯特阻抗数据。

图6、BHC 和 BPPHC 在温度为 1000、1100 和 1200、流速为1C时的循环性能。

小结

该研究采用一种简便、经济、可扩展的方法，成功合成了一种完全由单一前驱体生物质废竹子粉末衍生的 BPPHC 硬碳材料。研究深入探究了预处理技术和碳化温度对碳结构和电化学性能的关键影响因素。在作为 SIB 的潜在阳极进行评估时，生物质衍生硬碳材料 BPPHC1100 表现出较高的可逆容量（1 C 速率下为 303 mAh ⋅ g-1）和优异的循环性能（100 次循环后容量保持率为 92.0%）。

该材料含有大量纳米级孔隙，这些孔隙是通过酸/碱活化和模板预处理形成的，从而扩大了碳的层间间距。这种材料同时受益于软模板和硬模板，在特定位置形成孔隙，防止孔隙塌陷。模板在孔隙形成和稳定性方面具有双重作用：占据孔隙形成的位置，同时缓解孔隙塌陷。软模板和硬模板的这种双重作用有助于增强材料中孔隙的形成和稳定性。这项研究为了解材料丰富的纳米孔隙度的内在机制提供了宝贵的见解。本文介绍了一种利用废弃竹粉生产硬碳材料的方法，以及用于大规模储能的SIB中的低成本阳极材料。

文献：

https://doi.org/10.1002/open.202300178