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硬炭动力学特性对钠离子电池低温性能的影响及机制

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储能科学与技术 2024年

作者：徐雄文莫英周望姚环东洪娟雷化涂健刘继磊湖南大学材料科学与工程学院湖南立方新能源科技有限责任公司

以磷酸焦磷酸铁钠(NFPP)为正极，硬炭(HC)为负极，制作了软包钠离子电池，研究了不同动力学性能的硬炭对钠离子电池循环性能和低温性能的影响。借助电化学交流阻抗谱(EIS)、弛豫时间分析技术(DRT)以及恒电流间歇滴定技术(GITT)等分析手... 详细信息

以磷酸焦磷酸铁钠(NFPP)为正极，硬炭(HC)为负极，制作了软包钠离子电池，研究了不同动力学性能的硬炭对钠离子电池循环性能和低温性能的影响。借助电化学交流阻抗谱(EIS)、弛豫时间分析技术(DRT)以及恒电流间歇滴定技术(GITT)等分析手段对比研究了不同硬炭的电荷转移阻抗、SEI阻抗以及扩散系数大小，得到了动力学性能趋势：HC-A＞HC-C＞HC-B。结果表明，硬炭的动力学性能直接影响到钠离子电池的循环性能和低温放电性能。动力学性能最优的生物质硬炭HC-A不仅可以支持室温下5 C快速充电并且循环容量几乎无衰减，还表现出良好的低温性能，可以在0 ℃下0.5 C充电和-10 ℃下0.2 C充电并稳定循环，在-30 ℃下0.5 C放电容量百分比达87.5%。动力学性能最差的树脂基硬炭HC-B无法支持15 ℃下0.5 C循环，且-30 ℃下0.5 C放电容量百分比仅有83.7%。针对HC-B低温性能差的问题，提高电池设计的N/P比可以显著改善钠离子电池的低温性能，使得电池在-10 ℃下可以支持0.1 C充电并稳定循环100圈，容量保持率几乎无变化。本工作对钠离子电池的设计优化和低温性能改进具有重要的参考价值。

关键词：钠离子电池硬炭低温性能动力学 N/P比

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兰炭基硬炭的微观结构调控及其储钠性能

煤炭转化 2024年

作者：何艳宾张兆华刘宇昊屈笑笑郝睿黄光许贾建波邢宝林张传祥河南省煤炭绿色转化重点实验室河南理工大学化学化工学院煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南理工大学鄂尔多斯煤炭清洁开发利用研究院

目前硬炭的大规模生产主要受工艺复杂、收率低和均一性差等问题的限制。本研究提供一种简单、低温且产品均匀性高的硬炭制备工艺。以兰炭为原料，经硫酸铵水热处理后进行1400 °C高温炭化，制备兰炭基硬炭，探究兰炭基硬炭的微观结构及... 详细信息

目前硬炭的大规模生产主要受工艺复杂、收率低和均一性差等问题的限制。本研究提供一种简单、低温且产品均匀性高的硬炭制备工艺。以兰炭为原料，经硫酸铵水热处理后进行1400 °C高温炭化，制备兰炭基硬炭，探究兰炭基硬炭的微观结构及表面官能团等在硫酸铵水热处理与高温炭化过程中的演变规律。结果表明：通过调节硫酸铵水热处理温度可以精准调控兰炭基硬炭中各碳相的比例，从而达到提高其储钠性能的目的。当水热处理温度为260 °C时，得到的最优样品（NLC-260）具有较高含量的伪石墨结构（32.4%）以及适量的无序结构（36.4%），表现出最佳的电化学性能，在20 mA/g的电流密度下可逆容量可达294.0 mAh/g，首次库伦效率高达83.0%，经1000次循环后容量保持率仍可达82.5%。

关键词：兰炭硫酸铵硬炭微观结构调控钠离子电池

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低阶煤基炭材料研究进展

新型炭材料(中英文) 2024年

作者：宋文革曾红久王斌黄显虹李晓明孙国华国能神东煤炭集团有限责任公司中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司中国科学院山西煤炭化学研究所中国科学院炭材料重点实验室

煤炭具有储量丰富、碳含量高、芳香族单元和脂肪族单元可调控等，是优异的炭材料前驱体。目前，研究者可采用不同变质程度的煤，经过加工而获得不同微观结构和形貌、性能各异的煤基炭材料。其中，低阶煤因其芳烃结构易调整、储量丰富、... 详细信息

煤炭具有储量丰富、碳含量高、芳香族单元和脂肪族单元可调控等，是优异的炭材料前驱体。目前，研究者可采用不同变质程度的煤，经过加工而获得不同微观结构和形貌、性能各异的煤基炭材料。其中，低阶煤因其芳烃结构易调整、储量丰富、价格低廉和挥发分高等特征，被用于制备各种炭材料。本文总结了低阶煤制备炭材料的最新进展。首先介绍了低阶煤的特性，然后通过代表性的文献阐述了低阶煤及其衍生物制备储能炭材料、吸附活性炭和纳米炭材料的方法、改性策略及煤基炭材料的应用性能。进一步还讨论了低阶煤中灰分、伴生杂原子等对煤基炭材料制备工艺和性能的影响。最后，讨论了低阶煤基炭材料的前景和未来发展。这篇综述可能为低阶煤基炭材料的设计、制备以及在能源存储、功能化利用方面应用提供新的思路。

关键词：低阶煤电容炭硬炭煤基石墨活性炭

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煤显微组分对成炭过程及储钠行为的影响

煤炭学报 2024年

作者：何润东郭行孙仲超李文翠大连理工大学化工学院煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院

煤成本低廉、芳香结构丰富，是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。目前煤基硬炭材料的结构调控及储钠性能优化已有较为深入的研究，然而煤的组成复杂，煤自身组成对成炭过程及储钠行为的作用机制尚未明晰。基于此，以新疆烟煤为... 详细信息

煤成本低廉、芳香结构丰富，是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。目前煤基硬炭材料的结构调控及储钠性能优化已有较为深入的研究，然而煤的组成复杂，煤自身组成对成炭过程及储钠行为的作用机制尚未明晰。基于此，以新疆烟煤为前驱体，采取密度梯度离心法富集煤中有机显微组分，并在酸洗脱灰后通过高温炭化制备不同显微组分基硬炭材料。探究各显微组分在热解过程的差异以及其对硬炭材料中石墨微晶生长过程、孔隙结构和表面元素组成的影响，并结合恒电流充放电、恒电流间歇滴定、电化学交流阻抗和循环伏安测试等方法探究各显微组分基硬炭材料储钠行为的差异。结果表明，镜质组与惰质组热解过程存在差异，惰质组的热稳定性更好，镜质组更易生成片层尺寸更大的石墨微晶，在相同炭化处理温度下镜质组基硬炭的石墨化程度更高，且镜质组基硬炭材料表面含氧官能团的浓度高于惰质组基硬炭材料。在储钠行为方面，镜质组基硬炭与惰质组基硬炭的电化学性能随着炭化处理温度展现出不同的变化规律，其中镜质组经1200 ℃炭化制得的硬炭材料因其较多的层间储钠位点与含氧官能团浓度表现出最优的储钠性能，其在0.02 A g-1电流密度下可逆容量达到305.8 mA h g-1，首周库伦效率为82.2%，并且其在0.2 A g-1电流密度下仍能保持235.7 mA h g-1的可逆容量，倍率性能优异。

关键词：钠离子电池负极材料硬炭煤显微组分

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中空炭微球的喷雾法制备及其储钠性能研究

电源技术 2024年第2期48卷 224-230页

作者：韩玲郝瑞瑞任庆娟孙仲禹闫磊时志强天津工业大学天津市先进纤维与储能技术重点实验室天津300387 天津工业大学材料科学与工程学院天津300387

以酚醛树脂和马铃薯淀粉为前驱体,采用喷雾干燥和炭化法制备中空炭微球。采用扫描电子显微镜法(SEM)、透射电子显微镜法(TEM)、X射线衍射光谱法(XRD)、小角X射线散射(SAXS)、拉曼光谱等表征方法对其形貌、微观结构进行表征,并研究了中... 详细信息

以酚醛树脂和马铃薯淀粉为前驱体,采用喷雾干燥和炭化法制备中空炭微球。采用扫描电子显微镜法(SEM)、透射电子显微镜法(TEM)、X射线衍射光谱法(XRD)、小角X射线散射(SAXS)、拉曼光谱等表征方法对其形貌、微观结构进行表征,并研究了中空硬炭微球负极的储钠性能。结果表明:当酚醛树脂与马铃薯淀粉以质量比7∶3混合时,中空炭微球的粒径及其分布减小,具有最低的振实密度,有利于缩短离子传输路径,缓解循环过程中造成的体积变化。该样品具有大的层间距(0.41 nm)、较多的闭孔结构,提供了较快的插层反应动力学,有效提高了样品的平台容量。在0.1 A/g电流密度下,其展现出396.5 mAh/g的可逆比容量,循环200次后容量保持率为97.1%;在2 A/g电流密度下保持254.3 mAh/g的可逆比容量,表现出优异的大电流充放电能力。

关键词：钠离子电池硬炭中空炭微球负极材料储钠

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钠离子电池硬炭负极材料的研究进展

高等学校化学学报 2023年第5期44卷 152-167页

作者：杨翠云杨成浩华南理工大学环境与能源学院广州510641

钠离子电池凭借着丰富的钠资源、低廉的物料成本以及良好的低温性能等优势,在储能领域与锂离子电池兼容互补.因此,加速推进钠离子电池商业化可以降低锂资源供应风险,确保新能源行业的长期健康发展.由于钠离子的半径较大,而负极材料作为... 详细信息

钠离子电池凭借着丰富的钠资源、低廉的物料成本以及良好的低温性能等优势,在储能领域与锂离子电池兼容互补.因此,加速推进钠离子电池商业化可以降低锂资源供应风险,确保新能源行业的长期健康发展.由于钠离子的半径较大,而负极材料作为其插层的宿主材料,对相关的设计和发展要求则更高.目前,硬炭材料是公认的钠离子电池负极材料的理想选择之一,也是最有可能实现大规模商业化生产的负极材料.本文以钠离子电池商业化的瓶颈作为切入点,对硬炭的材料特点、储钠机理及功能化设计策略进行了综合评述.最后,对这一技术领域的未来发展和挑战进行了展望.

关键词：钠离子电池硬炭商业化功能化设计

共轭微孔聚合物热解制备氮、硫杂原子硬炭及其储锂性能

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无机化学学报 2023年第1期39卷 45-54页

作者：张庆堂许宗强舒琦琪连斐兰州理工大学石油化工学院兰州730050

选取溴代噻唑和三乙炔基苯为单体,利用聚合反应自下而上构建含噻唑共轭微孔聚合物(NSCMP),通过热解和KOH活化热解NSCMP制备了氮、硫杂原子硬炭(NSHC)和活化NSHC(KNSHC)。利用扫描电子显微镜、能量色散谱、氮气吸附-脱附和恒流充放电等表... 详细信息

选取溴代噻唑和三乙炔基苯为单体,利用聚合反应自下而上构建含噻唑共轭微孔聚合物(NSCMP),通过热解和KOH活化热解NSCMP制备了氮、硫杂原子硬炭(NSHC)和活化NSHC(KNSHC)。利用扫描电子显微镜、能量色散谱、氮气吸附-脱附和恒流充放电等表征2个样品的结构与电化学性能。研究表明KNSHC中N和S的质量分数分别为10.42%和2.23%,KNSHC比表面积高达2 140 m^(2)·g^(-1)。在0.2 A·g^(-1)电流密度下循环500次后KNSHC和NSHC的可逆比容量分别为946.2和493.7 mAh·g^(-1)。KNSHC的优异电化学性能归因于其独特的孔结构和氮、硫杂原子的协同作用。

关键词：共轭微孔聚合物硬炭负极材料锂离子电池

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软@硬复合炭结构设计及其协同电化学储钾

复合材料学报 2023年第1期40卷 192-200页

作者：陈亚鑫蔡雅菱曹振江甘明涛郭楠楠鞠治成中国矿业大学材料与物理学院徐州221116 北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191 新疆大学省部共建碳基能源资源化学与利用国家重点实验室乌鲁木齐830046

软@硬复合炭结构有助于协同改善炭负极材料的电化学储钾性能,但目前对不同复合结构对电化学储钾性能的影响规律仍缺乏系统研究。有鉴于此,将罗丹宁和嵌段共聚物F127作为硬炭前驱体,煤沥青热挥发份作为软炭前驱体,通过共炭化与气相沉积... 详细信息

软@硬复合炭结构有助于协同改善炭负极材料的电化学储钾性能,但目前对不同复合结构对电化学储钾性能的影响规律仍缺乏系统研究。有鉴于此,将罗丹宁和嵌段共聚物F127作为硬炭前驱体,煤沥青热挥发份作为软炭前驱体,通过共炭化与气相沉积的协同使用,开发硬炭、软/硬三维杂化炭结构、软炭壳@硬炭核复合结构,并研究3种结构对电化学储钾性能的影响。软炭壳@硬炭核复合材料具有高可逆容量(0.05 A·g^(-1)下容量为365 mA·h·g^(-1))、高循环稳定性(100圈循环后容量保持率为80%)、高倍率性能(1 A·g^(-1)下容量为177 mA·h·g^(-1))的特征。硬炭核丰富的缺陷活性位点可提高复合材料储钾容量。软炭壳的涡轮碳结构可覆盖硬炭表面缺陷,促进钾离子去溶剂化嵌入以改善循环稳定性。此外,高导电性软炭壳可改善电荷交换,进而提高复合材料的倍率性能并缓解电压滞后。得益于软炭与硬炭复合结构的协同储钾机制,软炭壳@硬炭核复合材料表现出明显优于硬炭的电化学储钾性能。

关键词：复合材料炭材料硬炭软炭钾离子电池负极材料

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钠离子电池硬炭负极过充析钠研究

北京航空航天大学学报 2023年

作者：刘乾磊戴丽琴易宗琳苏方远孙国华陈成猛中国科学院煤炭化学研究所炭材料重点实验室中国科学院大学材料科学与光电子工程中心中国科学院大学

钠离子电池是临近空间飞行器二次电池的有力候选者。关于硬炭负极析钠的监测、失效以及析钠机制的分析对钠离子电池的管理和使用具有指导意义，但该方面研究缺乏报道。对此，通过设置一系列的析钠梯度，利用微分容量曲线，结合扫描电子... 详细信息

钠离子电池是临近空间飞行器二次电池的有力候选者。关于硬炭负极析钠的监测、失效以及析钠机制的分析对钠离子电池的管理和使用具有指导意义，但该方面研究缺乏报道。对此，通过设置一系列的析钠梯度，利用微分容量曲线，结合扫描电子显微镜、恒电流间歇滴定等方法对负极析钠行为提供了可靠的认识。研究表明：在20 mA g-1电流密度下放电12.5 h硬炭表面形成钠团簇，继续钠化2.5h，钠团簇转变为钠金属，同时钠金属的脱钠电位可以被微分容量曲线监测；钠团簇由于低的脱钠能垒不影响电池循环性能；钠金属块致使电池界面阻抗和电荷转移阻抗进一步增加，导致循环容量加速衰减。

关键词：钠离子电池硬炭负极析钠钠金属失效