以红薯糖浆为原料制备硬碳材料，用于钠离子电池

1成果简介

与受锂资源稀缺性和高昂成本限制的锂离子电池不同，钠离子电池（SIBs）在可再生能源领域引起了广泛关注。这种兴趣的激增主要归因于钠的丰富性和成本效益，以及其在安全性和环境可持续性方面的优势。生物质衍生前驱体因其经济可行性、结构灵活性、易于制备、环境友好性和可再生性，被认为是生产硬碳材料的理想选择。本文，北京科技大学王静松 教授团队在《ACS Omega》期刊发表名为“From Sweet Potato Byproducts to Energy Storage: Unveiling the Potential of Foaming Syrup as a High-Performance Hard Carbon Anode for Sodium-Ion Batteries”的论文，研究采用一种简单的低温热解技术，将红薯烘烤的副产品——发泡糖浆转化为硬碳材料（HST）。

通过结合扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）及比表面积测定（BET）等多维表征策略，并配合电化学性能测试，我们确定了HST的优化碳化温度为1300 °C。由该温度制备的HST1300材料展现出理想的层间距、闭合孔隙的均衡比例以及有利的微观结构形态。在50 mA g–1的电流密度下，HST1300展现出可观的可逆比容量（243.13 mAh g–1），并具备优异的倍率性能，经过100次循环后仍能保持96.9%的初始容量。本研究为SIBs负极应用引入了一种新型硬质碳材料，并为红薯副产品的利用开辟了新途径。

2图文导读

图1. (a) Schematic of HST synthesis, (b) XRD of HST at varying calcination temps., (c) Raman spectra of HST post-thermal treatment, (d) N2 isotherms of HST at different annealing temps., (e) pore size distribution of HST, (f) HR C 1s XPS of HST under heat treatment, and (g) HR O 1s XPS of HST with varying heat treatment.

图3. (a) GCD curves of HST1300 at 50 mA g–1 for the initial three cycles, (b) first-cycle GCD profile of the HST sample at a current density of 50 mA g–1, (c) proportions of platform and slope capacities of HST at various temperatures, (d) rate performance of the HST sample, (e) CV curves of HST1300 at a scan rate of 0.1 mV s–1, (f) EIS plots of the HST sample, and (g) cycling performance of the HST sample. (h) Comparison of the electrochemical properties of HST and other biomass materials.

图4. (a) Cyclic voltammograms of HST1300 at diverse scan rates, (b) fitted curves of peak current versus corresponding scan rates for HST1300, (c) calculation of pseudocapacitive and diffusion-controlled contributions in HST1300, (d) pseudocapacitive and diffusion-controlled contributions of HST1300 at various scan rates, (e) GITT profiles of HST sample, and (f) determination of Na diffusion coefficients from GITT curves.+

3小结

综上所述，采用一种简便的高温热解方法，将红薯烘烤过程中产生的泡沫状糖浆转化为硬质碳材料（HST），该材料随后被用作钠离子电池的阳极材料。该材料在钠离子存储方面表现出卓越的性能，为钠离子电池阳极材料研究领域带来了新的视角。通过扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、比表面积测定（BET）和小角X射线散射（SAXS）等综合表征技术，结合电化学性能测试，确定了HST材料的最佳碳化温度为1300 °C。在此温度下制备的HST1300材料具有优化的层间距、适量的封闭孔隙以及理想的微观结构形态。当电流密度为50mA g–11时，可逆比容量为243.13mA g–1，首次库仑效率为74.56%，经过100次循环后容量保持率为96.9%。本研究不仅报道了一种源自红薯的硬碳材料，还提出了一种利用易于获取的原材料制备硬碳阳极材料的简便方法。该材料的开发为硬质碳阳极材料的研究与应用开辟了新可能性，并为红薯资源的高价值利用提供了新途径。

文献：
https://doi.org/10.1021/acsomega.5c01242

来源：材料分析与应用