SSB蓄电池选用直接碳化方法制备的煤炭基碳阳极材料研讨

2026-02-04 11:49:04

低成本钠离子电池负极材料的开发，满意了促进钠离子电池在大规模储能中运用的需求。煤炭作为重要的化石材料，储量丰厚且广泛散布。煤炭及其衍生产品能够作为电池和超级电容器电极材料的低成本碳源[69-78]。一同，不同蜕变程度的煤炭具有不同的结构特性，经过碳化后体现出不同的硬碳结构，为煤基碳材料的结构控制供给了可靠的保证[79-81]。运用煤炭作为钠离子电池负极材料的质料，能够完结煤炭的高值运用，有助于完结碳峰和碳中和的方针。

近年来，研讨人员经过运用不同类型的煤炭和制备方法制备碳材料，评价了煤基钠离子电池负极材料的功用。制备方法包括直接碳化和改性方法。经过直接热解煤炭制备的煤基钠离子电池负极材料具有相对有序的微晶结构和不充分的钠离子吸赞同孔填充位点，导致煤基钠离子电池负极的电化学功用较差。

根据硬碳负极的钠离子存储机制，研讨人员经过活化或提取后碳化或表面涂层的方法对煤的孔结构进行了改性。经过复合交联、预氧化和异原子掺杂调控了煤前体的微晶结构。经过表面涂层进行表面润饰来控制表面缺陷（数量、类型等）。相同重要的是，研讨人员优化了电解液，以前进固体电解质界面（SEI）膜的稳定性和均匀性，并改善了界面特性，然后前进了煤基负极材料的电化学功用[82-84]。

在这篇总述的一部分中，分析了近年来煤基钠离子电池负极材料的制备工艺、结构和电化学功用的研讨。一同也介绍了最近取得的开展和存在的缺乏。详细解说了不同蜕变程度对选用直接碳化法制备的煤衍生负极材料钠离子存储特性的影响。进一步阐述了经过操作孔隙和微晶结构以及表面和界面润饰来前进煤基负极材料的电化学功用的研讨。最终，包括了这些策略的利益和局限性。为了推进煤基负极在钠离子电池中的实践运用，本总述还分析了脱灰进程对电化学功用和安全性的影响。

2. 选用直接碳化方法制备的煤炭基碳阳极材料研讨

直接碳化法是指在有或没有去灰处理的情况下对煤进行碳化，以制备阳极材料而不运用改性方法。在碳化进程中，调度加热速率、碳化温度和碳化时刻等参数作为控制参数。

胡及其搭档运用直接碳化工艺制备了无去灰处理的煤焦基碳材料[85]。在0.1 C的电流密度下（1 C = 300 mA·g^-1）检验时，煤焦基阳极材料体现出可逆比容量为222 mAh·g^-1 和ICE为81%。此外，经过600次循环后，容量保持率为89%，闪现出出色的循环稳定性。运用Cu-Fe-Mn基阴极材料和煤焦基阳极材料的2 Ah软包电池体现出了出色的循环稳定性和100 Wh·kg^-1的能量密度。经过在相对高温（700°C）下用浓碱预处理煤焦，然后进行碳化，如Li等人研讨的那样，得到了去灰处理的煤焦基阳极材料，其容量得到前进（267.7 mAh·g^-1）[86]。

未通以前灰处理的亚烟煤基阳极在电流密度为20 mA·g⁻¹时闪现出291 mAh·g⁻¹的可逆容量，但ICE相对较低，仅为79.5%[87]。经过HF提纯的去灰烟煤基阳极在碳化进程中体现出在电流密度为30 mA·g⁻¹时270.1 mAh·g⁻¹的可逆容量和86.8%的ICE，与Tian等人的陈说一同[88]。用HCl预处理的褐煤基阳极在电流密度为20 mA·g⁻¹时闪现出256 mAh·g⁻¹的可逆容量和82%的ICE，与Zou等人的研讨一同[89]。运用酸碱去灰工艺制备的烟煤基阳极能够将灰分含量下降到<0.5 wt%，一同在运用HF的情况下对环境友好，如Kong等人的研讨[90]。当在30 mA·g⁻¹下检验时，该材料的容量和ICE分别为278 mAh·g⁻¹和85%（图7）。

图7.

（a）充放电曲线，（b）容量奉献分析，和（c）煤基负极材料的循环功用[90]。

王等人[91]的研讨陈说了不同蜕变程度煤对煤基硬碳结构和钠储存功用的影响。经过HCl和HF预处理不同蜕变程度的煤以去除其间的杂质。研讨效果闪现，跟着煤的蜕变程度下降，煤的结构变得松散，灰分更简略被去除。其间，无烟煤体现出高蜕变程度、高芳香层摆放次第和小分子空隙，并且难以去除嵌入在煤基质核心中的矿物质。可是，烟煤、次烟煤和褐煤具有更多的脂肪侧链和含氧官能团以及较小的芳香环结构，导致芳香层摆放次第较低，使得酸很简略与灰分反应。通以前灰进程后，三种煤（烟煤、次烟煤和褐煤）的灰分含量均可降至<1 wt%。

X射线衍射（XRD）效果标明，在相同的碳化温度下，跟着煤蜕变等级的增加，煤基硬碳的层间隔减小，微晶标准增大。因而，无烟煤基硬碳的层间隔小，微晶标准大，而烟煤、次烟煤和褐煤的层间隔大，微晶标准小，这有利于钠离子的刺进和提取。拉曼光谱效果闪现，跟着蜕变等级的下降，煤基硬碳的石墨化程度下降，碳缺陷位点增多，供给了更多的活性吸附位点。也就是说，蜕变程度较低的硬碳具有更有利的碳层间隔和更多的缺陷结构，这些都有利于钠离子嵌入-吸附进程，然后导致更高的钠储存容量。脱灰无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤的初始比容量分别为233.6、317.5、326.1和338.8 mAh·g⁻¹，与结构分析一同，对应的ICE分别为69.3%、80.0%、79.8%和81.1%。

从有机微组分的角度动身，经过运用密度梯度别离方法，取得了不同腐殖质含量的煤基前体，如Liu等人[92]的研讨中所述。研讨标明，跟着腐殖质含量的增加，根据褐煤的阳极材料的电子导电性显著前进，然后完结了261.9mAh·g⁻¹的可逆容量和80.1%的ICE。

在上述研讨中，Li等人[85]运用无烟煤经过直接碳化工艺制备了煤基阳极材料。制备方法简略，所得阳极材料的剩余碳含量高。可是，容量和ICE较低。Li等人对无烟煤进行了直接碳化处理，并进行了酸碱净化处理。净化后，灰分含量下降——即惰性元素的含量削减，无烟煤的容量得到改善[86]。在Lu等人的研讨中，经过控制加热速率，直接碳化了次烟煤基阳极材料。制备方法简略，阳极电极材料体现出高比容量（291mAh·g-1）。可是，这种方法选用的低加热速率不利于工业运用，这将增加制备成本[87]。在天等人的研讨中，经过HF净化处理后，直接碳化的烟煤能够下降阳极材料的灰分含量，并且ICE得到了改善，抵达86.8%[88]。Zou等人运用了廉价的褐煤进行研讨，制备方法简略，没有运用HF[89]。Wang等人[91]体系地研讨了不同蜕变程度煤作为钠离子电池阳极电极材料时结构对功用的影响。此外，

从上述研讨中能够发现，直接碳化工艺简略且成本低，但容量和ICE需求改善。