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研究快讯——广工大：新型硬碳负极材料研究新进展

文章来源：新能源网更新时间：2025-06-09 14:32:35

研究背景

生物质由于价格低、环境友好等优势，成为低成本的硬炭负极前驱体。然而通过一步法碳化生物质制备的硬炭负极往往有层间距小，封闭孔体积小等不足，无法高效的储存钠离子，因此其可逆比容量相对较低（250-300 mAh g⁻¹）。通过调控木材中的纤维素、木质素和半纤维素的组成和复合结构，可以调控硬炭的缺陷和封闭孔结构，从而为开发高性能的硬炭负极提供一种思路。碱刻蚀生物质中的木质纤维素是纸浆造纸工业的传统工艺之一，具有成本低的特点，可以与现有造纸工业很好的结合。本文提出了一种预处理硬炭前驱体的方法，选用氢氧化钠作为刻蚀剂，选择性地刻蚀竹纤维部分的木质素和半纤维素。竹纤维经过刻蚀后，半纤维素和木质素的相对含量降低，纤维素的相对含量提升，同时选择性刻蚀破坏了其紧密的木质纤维素结构。在碳化过程中能制备较大体积的封闭孔结构用于钠离子的填充。

研究思路

在之前的工作中，张文礼教授课题组发现对生物质前驱体进行预处理的方法能提高其衍生硬炭负极的平台容量。通过对前驱体的结构进行调控，能够得到具有大闭孔体积的硬炭负极。这些孔隙在高温下难以闭合，形成的闭合孔隙较少，从而降低了平台容量。利用刻蚀剂处理前驱体，能够得到不同孔隙特征的前驱体材料，不同的孔隙影响了闭孔的形成，因此选择性地进行前驱体结构调控，能够得到孔隙更容易闭合的硬炭负极。

本文利用氢氧化钠作为刻蚀剂，选择性地低温刻蚀竹纤维中部分的木质素和半纤维素。选择性的刻蚀破坏了竹子紧密的木质纤维素结构，提高了竹纤维中的纤维素含量。竹纤维的纤维素含量提高可以提高硬炭的有序度，有利于在高温碳化下封闭开放的空隙，从而制备出高封闭孔体积的硬炭。结果表明，经过优化的硬炭的封闭孔体积产生巨大的提升。在电化学性能方面与直接炭化竹子制备的硬炭BHC相比，BHC5的平台容量提高了88 mAh g⁻¹。这种预处理策略可以扩展到制备一系列高封闭孔体积的生物质硬炭负极材料。

为了获得硬炭闭孔结构参数以及明确硬炭内部闭孔与其电极电化学性能的构效关系，本研究采用小角X射线散射技术(SAXS)分析了木质素衍生硬炭闭孔的特征。实验发现，不同的木质素衍生硬碳具有显著不同的微观结构。在散射矢量0.1 Å⁻¹处存在一个肩峰对应的是硬炭中的纳米孔，这是典型的闭孔炭的特征，肩峰处对应的Q值越小说明闭孔的直径越大。研究人员进一步通过对散射曲线的拟合计算得到了闭孔直径、孔径分布等相关参数。

广东工业大学硕士研究生黄宗毅为本论文第一作者，广东工业大学轻工化工学院邱学青教授、张文礼教授为本文的共同通讯作者，国家蛋白质科学研究（上海）设施BL19U2线站为本工作提供了SAXS机时支持。

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