Nano Res.│硬碳软烧：重构木质素、打造低滞回钾钠电极材料

背景介绍

随着碳中和战略的实施，大规模储能需求与日俱增。储量高、成本低的钾和钠作为工作离子近年来受到学术及工业界的广泛关注。相较于具有典型软碳结构的石墨负极，硬碳材料在钾离子和钠离子的储存方面表现出了较高的容量。然而，结构杂乱的硬碳材料放电平台不明显、充放电电压滞回较为严重。那么，有没有可能在碳化过程中把硬碳烧得软一些、更有序一些，从而进一步提升钾钠离子的储存能力？

研究方法

加拿大阿尔伯塔大学李智课题组以氧化石墨烯（GO）为催化剂，通过水热重构木质素，制备了兼具硬碳和软碳性质的钾钠离子电池负极材料，有效改善放电平台和电压滞回。

成果简介

碳材料的“软硬”很大程度上取决于前驱物中sp2与sp3碳的比例以及前驱物的构型。一般来说，sp2碳含量高的前驱物（如芳香类石油衍生物等）碳化后会形成结构较为规整的软碳；而sp3碳含量高的前驱物（如纤维素、塑料等）碳化后一般形成结构杂乱的硬碳。木质素是自然界中丰度仅次于纤维素的生物高分子，也是唯一一种同时含有大量sp2碳（约2/3）和sp3碳（约1/3）的天然生物高分子。这种特殊结构为最终碳材料软硬程度的调节提供了可能。

本工作通过在水热条件下对木质素进行催化重构，部分去除碳支链（sp3碳）和含氧官能团。重构木质素在碳化后，缺陷和微孔含量大为减少，同时碳材料的有序性也得到了提高，放电平台和电压滞回得到改善。重构过程中，木质素在GO催化剂表面优先聚集重构，形成了纳米片状结构，有利于电荷传递和离子扩散。该材料兼具软碳和硬碳的优势，在钠钾离子存储中表现出优异的容量和倍率性能。原位拉曼光谱进一步证明重构的电极材料有良好的结构恢复能力。对比而言，钾离子电池具有更高的容量（在1A•g⁻¹时 200 mAh•g⁻¹）；而钠离子电池具有更好的可循环性能和结构稳定性。本工作中调控生物碳材料“软硬”程度的方法可被引申应用于其他电极材料的设计和制备。

图文导读

图1 碳化后的重构木质素纳米片结构:(a) SEM，(b)TEM and (c) AFM。

图2 碳化后的重构木质素纳米片（CRL10G，CRL20G）显著提高了木质素碳材料存储钾和钠的容量并且显著减小了充放电循环中的电压滞回，其效果在钾离子存储中更为明显；证明该材料适合被应用于“快充”设备。

图3 原位拉曼光谱分析证明该材料在存储过程中具有良好的可逆性；体积较小的钠离子在可逆性方面更具优势

标签：重构,离子,Nano,软烧,Res,材料,碳化,木质素,软碳
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