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负极材料硬碳的特点及其制备

文章出处：洛阳西格玛智能电阻炉人气：0 发表时间：2023-10-10

硬碳是一种热解碳，通过热解高分子聚合物、石油化工产品、生物质等得到。它的石墨化程度较低，因为热处理过程中存在的杂原子阻碍了结晶区域的形成。硬碳可以根据热解碳化温度分为高温热解碳和低温热解碳，根据碳源不同可以分为树脂碳、有机聚合物碳、炭黑和生物质碳等。硬碳在锂离子电池负极中具有很好的充放电循环性能。在热解过程中，硬碳的碳层呈无定形结构，部分碳层堆积形成缺陷和孔洞，另一部分呈石墨微晶结构。硬碳的微观结构受前驱体分子量的影响，分子量越高，石墨化程度越高，比表面积越大。

负极材料硬碳的特点：

硬碳具有较大的比容量和更好的相容性，适合在低温下工作。它还具有良好的大倍率充放电性能和长循环寿命。目前硬碳的储锂机制尚未达成一致结论，但有研究者提出了一种“纸牌屋”的结构模型来解释其高嵌锂容量的原因。研究者通过控制热解处理条件，利用环氧树脂和邻苯二甲酸酐制备了一系列硬碳材料。根据X射线衍射技术和电化学测试结果，研究者发现硬碳材料中含有许多由单层石墨烯片围成的纳米微孔，这些微孔的孔径约为1.5nm，Li+可以在其中可逆地进出。此外，研究者还通过HX-PES分析发现，硬碳的碳层间和微孔中均存在锂。

虽然硬碳具有高容量和良好的倍率性能，但也存在一些缺点，如首周库伦效率低、振实密度低和电压极化严重。硬碳的制备可以使用不同的前驱体，如沥青、生物质、糖类、酚醛树脂和有机高分子聚合物等。不同物质制备的硬碳材料表现出类似的充放电曲线。

1. 沥青可以通过预处理和预氧化的方法来制备硬碳材料。预处理利用交联剂改变沥青的微观结构，阻碍石墨化过程，从而得到硬碳材料。预氧化法则通过氧化剂处理沥青，引入氧原子，使沥青在热解碳化过程中难以形成有序结构，从而得到杂乱的硬碳材料。

2. 生物质可以作为制备硬碳材料的前驱体，具有丰富的杂原子和独特的微观结构。柚子皮、花生壳和玉米秸秆等生物质经过适当处理后，可以制备出具有优异嵌锂性能和丰富孔结构的硬碳材料。这些孔结构有助于材料与电解液充分接触，提供通道和嵌锂位点，从而提升材料的嵌锂容量和循环稳定性。微孔结构提供了活性位点，增加了储锂容量，而介孔和大孔结构缩短了锂离子的输运距离，提高了锂离子的迁移速率。

有机高分子聚合物是一种制备硬碳的理想前驱体，相对于生物质，它们具有简单且可控的分子结构。研究者们已经成功地利用酚醛树脂和环氧树脂等有机高分子聚合物制备了硬碳材料。这些硬碳材料在锂离子电池和超级电容器中表现出优异的性能，具有高嵌锂容量和循环稳定性。其中，石墨烯包覆的硬碳材料由于增强了导电性能，具有更好的传输效率和循环稳定性能。硬碳材料具有大量微孔结构和层状结构，使得锂离子能够快速嵌入和脱嵌，从而实现优良的倍率性能。因此，硬碳被认为是一种有前景的负极材料，在锂电负极领域有着广阔的应用前景。

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