Co2 B2 O5 as an anode material with high capacity for sodium ion batteries
1
2020
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
Nanoengineering of advanced carbon materials for sodium-ion batteries
1
2021
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
Inorganic sulfide solid electrolytes for all-solid-state lithium secondary batteries
1
2019
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
钠离子电池硬炭负极材料和电极的研究
1
2019
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
钠离子电池硬炭负极材料和电极的研究
1
2019
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
Research development on sodium-ion batteries
1
2014
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
Rational design of a trifunctional binder for hard carbon anodes showing high initial coulombic efficiency and superior rate capability for sodium-ion batteries
1
2021
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
Recent progress in rechargeable sodium-ion batteries: toward high-power applications
1
2019
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
钠离子储能电池碳基负极材料研究
1
2017
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
钠离子储能电池碳基负极材料研究
1
2017
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
Engineering hard carbon with high initial coulomb efficiency for practical sodium-ion batteries
3
2021
... 中国可再生能源利用比重逐年增加,借助电化学储能技术可有效解决可再生能源消纳问题[1 ] .锂离子电池能量密度和转化效率较高,颇受人们青睐.但是锂的全球储量有限、价格高昂、资源分布不均匀[2 ] ,而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成,受热时非常容易发生剧烈的化学反应而热失控,因而安全性较低[3 ] ,亟待寻求更廉价、更安全的储能技术来满足市场对大规模储能的需求[4 ] .钠离子电池以资源丰富、成本低廉和安全性高等优势,有望用于大规模储能[5 -6 ] .但钠离子的尺寸明显大于锂离子,探索合适的电极材料是钠离子电池商业化的关键前提[7 ] .目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类:有机类、合金类、转化类和嵌入类.其中,硬炭材料储钠容量高、嵌钠电位低,应用前景广泛[8 -9 ] . ...
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
Towards valorizing natural coals in sodium-ion batteries: impact of coal rank on energy storage
1
2020
... 近些年来,有文献报道用煤热解炭化制备钠离子电池硬炭负极.一方面,煤作为宝贵的含碳资源,炭收率高、价格低廉、资源丰富,是优秀的硬炭材料前体,有利于发挥钠离子电池的低成本优势[10 ] .另一方面,将煤由传统的燃料煤、原料煤转变为材料煤,丰富了煤炭利用方式,实现了煤炭清洁高效利用.无烟煤[11 ] 经1200℃炭化后得到的炭材料在0.03 A·g-1 电流密度下表现出222 mA·h·g-1 的可逆比容量和81%的首周库仑效率.通过酸洗脱灰处理,无烟煤基炭材料的性能得到改善[12 ] ,脱灰后再炭化所得材料在0.02 A·g-1 电流密度下可逆比容量达到252.0 mA·h·g-1 ,比直接炭化的容量提高了52.4%.Lu等[13 ] 炭化次烟煤制备负极材料,当电流密度为0.02 A·g-1 时,可逆比容量达到291 mA·h·g-1 .另外,煤中杂原子丰富,特别是C O和O—H基团会参与Na+ 的氧化还原反应和化学吸收,增强电容型储钠行为[14 ] . ...
Advanced sodium-ion batteries using superior low cost pyrolyzed anthracite anode: towards practical applications
1
2016
... 近些年来,有文献报道用煤热解炭化制备钠离子电池硬炭负极.一方面,煤作为宝贵的含碳资源,炭收率高、价格低廉、资源丰富,是优秀的硬炭材料前体,有利于发挥钠离子电池的低成本优势[10 ] .另一方面,将煤由传统的燃料煤、原料煤转变为材料煤,丰富了煤炭利用方式,实现了煤炭清洁高效利用.无烟煤[11 ] 经1200℃炭化后得到的炭材料在0.03 A·g-1 电流密度下表现出222 mA·h·g-1 的可逆比容量和81%的首周库仑效率.通过酸洗脱灰处理,无烟煤基炭材料的性能得到改善[12 ] ,脱灰后再炭化所得材料在0.02 A·g-1 电流密度下可逆比容量达到252.0 mA·h·g-1 ,比直接炭化的容量提高了52.4%.Lu等[13 ] 炭化次烟煤制备负极材料,当电流密度为0.02 A·g-1 时,可逆比容量达到291 mA·h·g-1 .另外,煤中杂原子丰富,特别是C O和O—H基团会参与Na+ 的氧化还原反应和化学吸收,增强电容型储钠行为[14 ] . ...
Highly purified carbon derived from deashed anthracite for sodium-ion storage with enhanced capacity and rate performance
3
2020
... 近些年来,有文献报道用煤热解炭化制备钠离子电池硬炭负极.一方面,煤作为宝贵的含碳资源,炭收率高、价格低廉、资源丰富,是优秀的硬炭材料前体,有利于发挥钠离子电池的低成本优势[10 ] .另一方面,将煤由传统的燃料煤、原料煤转变为材料煤,丰富了煤炭利用方式,实现了煤炭清洁高效利用.无烟煤[11 ] 经1200℃炭化后得到的炭材料在0.03 A·g-1 电流密度下表现出222 mA·h·g-1 的可逆比容量和81%的首周库仑效率.通过酸洗脱灰处理,无烟煤基炭材料的性能得到改善[12 ] ,脱灰后再炭化所得材料在0.02 A·g-1 电流密度下可逆比容量达到252.0 mA·h·g-1 ,比直接炭化的容量提高了52.4%.Lu等[13 ] 炭化次烟煤制备负极材料,当电流密度为0.02 A·g-1 时,可逆比容量达到291 mA·h·g-1 .另外,煤中杂原子丰富,特别是C O和O—H基团会参与Na+ 的氧化还原反应和化学吸收,增强电容型储钠行为[14 ] . ...
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
High-capacity hard carbon pyrolyzed from subbituminous coal as anode for sodium-ion batteries
3
2019
... 近些年来,有文献报道用煤热解炭化制备钠离子电池硬炭负极.一方面,煤作为宝贵的含碳资源,炭收率高、价格低廉、资源丰富,是优秀的硬炭材料前体,有利于发挥钠离子电池的低成本优势[10 ] .另一方面,将煤由传统的燃料煤、原料煤转变为材料煤,丰富了煤炭利用方式,实现了煤炭清洁高效利用.无烟煤[11 ] 经1200℃炭化后得到的炭材料在0.03 A·g-1 电流密度下表现出222 mA·h·g-1 的可逆比容量和81%的首周库仑效率.通过酸洗脱灰处理,无烟煤基炭材料的性能得到改善[12 ] ,脱灰后再炭化所得材料在0.02 A·g-1 电流密度下可逆比容量达到252.0 mA·h·g-1 ,比直接炭化的容量提高了52.4%.Lu等[13 ] 炭化次烟煤制备负极材料,当电流密度为0.02 A·g-1 时,可逆比容量达到291 mA·h·g-1 .另外,煤中杂原子丰富,特别是C O和O—H基团会参与Na+ 的氧化还原反应和化学吸收,增强电容型储钠行为[14 ] . ...
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
Hard carbon nanosheets with uniform ultramicropores and accessible functional groups showing high realistic capacity and superior rate performance for sodium-ion storage
3
2020
... 近些年来,有文献报道用煤热解炭化制备钠离子电池硬炭负极.一方面,煤作为宝贵的含碳资源,炭收率高、价格低廉、资源丰富,是优秀的硬炭材料前体,有利于发挥钠离子电池的低成本优势[10 ] .另一方面,将煤由传统的燃料煤、原料煤转变为材料煤,丰富了煤炭利用方式,实现了煤炭清洁高效利用.无烟煤[11 ] 经1200℃炭化后得到的炭材料在0.03 A·g-1 电流密度下表现出222 mA·h·g-1 的可逆比容量和81%的首周库仑效率.通过酸洗脱灰处理,无烟煤基炭材料的性能得到改善[12 ] ,脱灰后再炭化所得材料在0.02 A·g-1 电流密度下可逆比容量达到252.0 mA·h·g-1 ,比直接炭化的容量提高了52.4%.Lu等[13 ] 炭化次烟煤制备负极材料,当电流密度为0.02 A·g-1 时,可逆比容量达到291 mA·h·g-1 .另外,煤中杂原子丰富,特别是C O和O—H基团会参与Na+ 的氧化还原反应和化学吸收,增强电容型储钠行为[14 ] . ...
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
1
2015
... 煤基硬炭的电化学性能取决于其物理结构,而结构变化与炭化过程密切相关.黏结性烟煤的炭化过程大致可以分为三个阶段:(1)室温至300℃是干燥脱吸阶段;(2)300~550℃是胶质体的生成和固化阶段;(3)550~1000℃是半焦转化为焦炭的阶段.其中,胶质体的生成和固化阶段可用中间相概念来描述,对最终炭结构影响显著.煤热解时,首先发生胶质体芳香分子层片定向排列而形成微小的中间相小球体,这些小球体会不断长大、互相接触.如果环境的流动性足够高,小球体在接触时会互相融合,形成复球,使这个过程继续进行,各向异性得以发展.如果流动性不够高,小球体在接触时就不会融合而保持各自的原状,这样尽管小球体本身为各向异性,但是从宏观的角度来说材料为各向同性[15 ] ,材料最终表现为低石墨化程度,整体杂乱无序的分子排列不利于钠离子在其中的传输和存储.中间相的发展过程十分复杂,除了与原料本身性质有关外,还受工艺条件的影响,如温度、升温速率和恒温停留时间等. ...
1
2015
... 煤基硬炭的电化学性能取决于其物理结构,而结构变化与炭化过程密切相关.黏结性烟煤的炭化过程大致可以分为三个阶段:(1)室温至300℃是干燥脱吸阶段;(2)300~550℃是胶质体的生成和固化阶段;(3)550~1000℃是半焦转化为焦炭的阶段.其中,胶质体的生成和固化阶段可用中间相概念来描述,对最终炭结构影响显著.煤热解时,首先发生胶质体芳香分子层片定向排列而形成微小的中间相小球体,这些小球体会不断长大、互相接触.如果环境的流动性足够高,小球体在接触时会互相融合,形成复球,使这个过程继续进行,各向异性得以发展.如果流动性不够高,小球体在接触时就不会融合而保持各自的原状,这样尽管小球体本身为各向异性,但是从宏观的角度来说材料为各向同性[15 ] ,材料最终表现为低石墨化程度,整体杂乱无序的分子排列不利于钠离子在其中的传输和存储.中间相的发展过程十分复杂,除了与原料本身性质有关外,还受工艺条件的影响,如温度、升温速率和恒温停留时间等. ...
不同变质程度煤衍生硬炭的储钠行为研究
1
2021
... 初步脱水后对新疆烟煤进行热重测试,结果见图1 .由DTG曲线可得,新疆烟煤在450℃附近出现最大失重峰,对应小分子气体化合物的挥发[16 ] ,质量损失主要发生在400~600℃.黏结性烟煤的热解一般需要经历干燥脱吸阶段、胶质体的生成及固化阶段和成焦阶段三个阶段.胶质体的生成和固化一般发生在300~550℃区间内,此阶段内存在的胶质体和中间相的发展情况对热解后所得炭材料的结构具有重要影响,结合热重分析结果,本实验确定两个低温热解的温度区间,分别为400~600和350~550℃. ...
不同变质程度煤衍生硬炭的储钠行为研究
1
2021
... 初步脱水后对新疆烟煤进行热重测试,结果见图1 .由DTG曲线可得,新疆烟煤在450℃附近出现最大失重峰,对应小分子气体化合物的挥发[16 ] ,质量损失主要发生在400~600℃.黏结性烟煤的热解一般需要经历干燥脱吸阶段、胶质体的生成及固化阶段和成焦阶段三个阶段.胶质体的生成和固化一般发生在300~550℃区间内,此阶段内存在的胶质体和中间相的发展情况对热解后所得炭材料的结构具有重要影响,结合热重分析结果,本实验确定两个低温热解的温度区间,分别为400~600和350~550℃. ...
High-yield microstructure-controlled amorphous carbon anode materials through a pre-oxidation strategy for sodium ion batteries
3
2019
... 对XJM-1-3-60和XJM-2-3-60进行X射线衍射分析,结果如图3 (b)所示.可以看到两种样品的XRD谱图均在衍射角为24°和43°左右时表现出两个明显的峰,分别对应于炭材料的(002)和(100)衍射晶面,衍射角为80°时有一个宽峰,对应(110)衍射晶面,制得的两种材料均呈现为短程有序、长程无序的结构.通过布拉格方程和谢乐公式可以算出具体的晶体结构参数,如表2 所示.XJM-1-3-60的(002)峰峰值对应衍射角略小于XJM-2-3-60的峰值对应衍射角,石墨层间距d 002 和a 轴方向平均微晶尺寸La 则略大于XJM-2-3-60.为了更加准确地对晶体石墨化度进行表述,采用显微共焦拉曼光谱仪对两种样品进行拉曼测试,结果见表2 和图3 (c).两种样品的拉曼光谱均在1350和1580 cm-1 附近出现特征峰,分别对应炭材料的D和G峰.D峰信号代表石墨的A1g 模式振动,属于无序炭结构;G峰信号代表sp2 杂化的C原子的E2g 模式伸缩振动,属于有序炭结构[17 ] .G峰峰面积与D峰峰面积的比值(A G /A D )可以定量表征材料的石墨化度,比值越大,说明缺陷越少,石墨化度越高[18 ] .经过炭化程序的改变,材料A G /A D 由0.37降低至0.28,石墨化度降低.降低热解温度区间促进了分解和解聚反应充分发生,有利于热解一次气体(主要是指在低温区生成的甲烷、氢气以及小分子不饱和烃等气体和部分焦油蒸气)的生成和析出,而这一过程不利于碳层的有序排列,从而形成一定的缺陷,降低石墨化度. ...
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials: spectral analysis and structural information
1
2005
... 对XJM-1-3-60和XJM-2-3-60进行X射线衍射分析,结果如图3 (b)所示.可以看到两种样品的XRD谱图均在衍射角为24°和43°左右时表现出两个明显的峰,分别对应于炭材料的(002)和(100)衍射晶面,衍射角为80°时有一个宽峰,对应(110)衍射晶面,制得的两种材料均呈现为短程有序、长程无序的结构.通过布拉格方程和谢乐公式可以算出具体的晶体结构参数,如表2 所示.XJM-1-3-60的(002)峰峰值对应衍射角略小于XJM-2-3-60的峰值对应衍射角,石墨层间距d 002 和a 轴方向平均微晶尺寸La 则略大于XJM-2-3-60.为了更加准确地对晶体石墨化度进行表述,采用显微共焦拉曼光谱仪对两种样品进行拉曼测试,结果见表2 和图3 (c).两种样品的拉曼光谱均在1350和1580 cm-1 附近出现特征峰,分别对应炭材料的D和G峰.D峰信号代表石墨的A1g 模式振动,属于无序炭结构;G峰信号代表sp2 杂化的C原子的E2g 模式伸缩振动,属于有序炭结构[17 ] .G峰峰面积与D峰峰面积的比值(A G /A D )可以定量表征材料的石墨化度,比值越大,说明缺陷越少,石墨化度越高[18 ] .经过炭化程序的改变,材料A G /A D 由0.37降低至0.28,石墨化度降低.降低热解温度区间促进了分解和解聚反应充分发生,有利于热解一次气体(主要是指在低温区生成的甲烷、氢气以及小分子不饱和烃等气体和部分焦油蒸气)的生成和析出,而这一过程不利于碳层的有序排列,从而形成一定的缺陷,降低石墨化度. ...
Hydrogen peroxide oxidation degradation of a low-rank Naomaohu coal
2
2020
... 两种样品的红外光谱如图3 (d)所示.对红外光谱进行定性分析,可得两种样品均在3300~3600 cm-1 区间内出现一个吸收峰,对应氨基或者酚羟基在分子之间或者分子内部发生缔合而形成氢键[19 ] .在2900 cm-1 附近出现的吸收峰主要由饱和碳上的 C—H伸缩振动引起,1500~1600 cm-1 区间内的峰则主要由芳环中骨架的伸缩振动引起[20 ] ,1670和1080 cm-1 附近出现的峰分别对应于C O和C—O的伸缩振动.进一步对所得炭材料进行元素分析,由表2 中结果可知,在胶质体发展阶段反应较长时间有利于杂原子以气体形式挥发,从而降低杂原子含量,这也符合之前的分析. ...
... 两种样品的红外光谱如图4 (d)所示.可以看出,XJM-2-3-130和XJM-2-3-20均分别在3400、3000、1600~1700、1400和1050 cm-1 附近出现强度不等的吸收峰,分别代表氨基或酚羟基发生缔合作用构成的氢键、饱和碳原子上的C—H键、C O键、芳环骨架上的C C键和C—O键的伸缩振动[19 -20 ] ,与图3 (d)中的XJM-2-3-60的峰信息相对应.元素分析结果见表2 ,低载气流速不利于由分解反应产生的烃类和碳氧化合物的挥发,从而使XJM-2-3-130、XJM-2-3-60和XJM-2-3-20的C含量逐渐增大. ...
Insight into the macromolecular structural differences between hard coal and deformed soft coal
2
2019
... 两种样品的红外光谱如图3 (d)所示.对红外光谱进行定性分析,可得两种样品均在3300~3600 cm-1 区间内出现一个吸收峰,对应氨基或者酚羟基在分子之间或者分子内部发生缔合而形成氢键[19 ] .在2900 cm-1 附近出现的吸收峰主要由饱和碳上的 C—H伸缩振动引起,1500~1600 cm-1 区间内的峰则主要由芳环中骨架的伸缩振动引起[20 ] ,1670和1080 cm-1 附近出现的峰分别对应于C O和C—O的伸缩振动.进一步对所得炭材料进行元素分析,由表2 中结果可知,在胶质体发展阶段反应较长时间有利于杂原子以气体形式挥发,从而降低杂原子含量,这也符合之前的分析. ...
... 两种样品的红外光谱如图4 (d)所示.可以看出,XJM-2-3-130和XJM-2-3-20均分别在3400、3000、1600~1700、1400和1050 cm-1 附近出现强度不等的吸收峰,分别代表氨基或酚羟基发生缔合作用构成的氢键、饱和碳原子上的C—H键、C O键、芳环骨架上的C C键和C—O键的伸缩振动[19 -20 ] ,与图3 (d)中的XJM-2-3-60的峰信息相对应.元素分析结果见表2 ,低载气流速不利于由分解反应产生的烃类和碳氧化合物的挥发,从而使XJM-2-3-130、XJM-2-3-60和XJM-2-3-20的C含量逐渐增大. ...
Sodium ion insertion in hollow carbon nanowires for battery applications
2
2012
... 以制备的材料为负极,钠为对电极组装好半电池进行恒流充放电测试,结果如图3 (e)、(f)所示.两种样品的充放电曲线均可以分为0.01~0.1 V的平台区和0.1~3 V的斜坡区,目前主要认为平台区对应钠离子在炭层中的插层,斜坡区对应钠离子在炭层表面或缺陷位置的存储[21 ] .在0.02 A·g-1 的电流密度下,XJM-1-3-60的首周可逆容量达到298.0 mA·h·g-1 ,首周库仑效率为80.4%,XJM-2-3-60的首周可逆容量达到304.0 mA·h·g-1 ,首周库仑效率为82.2%.平台区提供可逆容量分别为143.7和144.5 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的48.22%和47.53%.XJM-1-3-60平台区容量占比较高,主要是因为材料石墨化度较高,石墨微晶尺寸较大,有利于层间储钠,而XJM-2-3-60总容量略高,认为其存在更多的缺陷位点,促进斜坡区钠离子的可逆存储.两者首周库仑效率均大于80%,XJM-2-3-60首周库仑效率略高.在首次充放电过程中,负极表面会形成一层SEI膜[22 ] ,影响钠离子的可逆脱嵌,限制首周库仑效率.XJM-1-3-60较大的比表面积意味着较多的不可逆脱嵌的钠离子,即相对较低的首周库仑效率.由倍率性能图可得,XJM-2-3-60倍率性能较优,在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为304.0、275.7、244.8、200.7、103.9、62.0和37.2 mA·h·g-1 ,其丰富的缺陷位点有利于在大电流密度下快速充放电[23 ] ,从而表现出较高的比容量. ...
... 由上述分析可知,比表面积和石墨化度作为两个主要结构参数对硬炭负极储钠性能有着重要影响.比表面积的影响主要体现在它对首周库仑效率的限制,比表面积过大时,会引起首次充放电过程中电解液大量分解形成SEI膜,进而导致不可逆容量损失增大,首周库仑效率降低.比表面积还能在一定程度上反映材料的孔隙特征,比表面积小的材料一般开孔结构比较少,钠离子扩散速率较低.石墨化度常用来表征材料结构有序性程度,石墨化度较高,意味着结构比较有序,缺陷位点较少,导电性比较好.石墨化度、炭层间距与石墨微晶尺寸等因素共同影响着层间储钠行为,本文中制备的煤基硬炭负极材料石墨化度越高、石墨微晶尺寸越大,越有利于层间储钠行为.目前的储钠机理认为低电位区对应于Na+ 嵌入石墨微晶层间[21 ] ,所以石墨化度较高的材料在低电位下的可利用容量较高,有利于增加全电池的电压窗口.但这并不代表石墨化度越高,储钠性能就越优秀.层间储钠在大电流密度下的响应速度要慢于缺陷吸附储钠,而且长循环时石墨微晶的结构容易因频繁脱嵌钠行为而被破坏,因此石墨化度过高会导致倍率性能和循环性能变差.所以一般情况下都要根据实际需要采取措施调控石墨化度到合适的范围,如改变炭化过程升温速率或炭化温度等. ...
Pitch-derived amorphous carbon as high performance anode for sodium-ion batteries
3
2016
... 以制备的材料为负极,钠为对电极组装好半电池进行恒流充放电测试,结果如图3 (e)、(f)所示.两种样品的充放电曲线均可以分为0.01~0.1 V的平台区和0.1~3 V的斜坡区,目前主要认为平台区对应钠离子在炭层中的插层,斜坡区对应钠离子在炭层表面或缺陷位置的存储[21 ] .在0.02 A·g-1 的电流密度下,XJM-1-3-60的首周可逆容量达到298.0 mA·h·g-1 ,首周库仑效率为80.4%,XJM-2-3-60的首周可逆容量达到304.0 mA·h·g-1 ,首周库仑效率为82.2%.平台区提供可逆容量分别为143.7和144.5 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的48.22%和47.53%.XJM-1-3-60平台区容量占比较高,主要是因为材料石墨化度较高,石墨微晶尺寸较大,有利于层间储钠,而XJM-2-3-60总容量略高,认为其存在更多的缺陷位点,促进斜坡区钠离子的可逆存储.两者首周库仑效率均大于80%,XJM-2-3-60首周库仑效率略高.在首次充放电过程中,负极表面会形成一层SEI膜[22 ] ,影响钠离子的可逆脱嵌,限制首周库仑效率.XJM-1-3-60较大的比表面积意味着较多的不可逆脱嵌的钠离子,即相对较低的首周库仑效率.由倍率性能图可得,XJM-2-3-60倍率性能较优,在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为304.0、275.7、244.8、200.7、103.9、62.0和37.2 mA·h·g-1 ,其丰富的缺陷位点有利于在大电流密度下快速充放电[23 ] ,从而表现出较高的比容量. ...
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
Slope-dominated carbon anode with high specific capacity and superior rate capability for high safety Na-ion batteries
2
2019
... 以制备的材料为负极,钠为对电极组装好半电池进行恒流充放电测试,结果如图3 (e)、(f)所示.两种样品的充放电曲线均可以分为0.01~0.1 V的平台区和0.1~3 V的斜坡区,目前主要认为平台区对应钠离子在炭层中的插层,斜坡区对应钠离子在炭层表面或缺陷位置的存储[21 ] .在0.02 A·g-1 的电流密度下,XJM-1-3-60的首周可逆容量达到298.0 mA·h·g-1 ,首周库仑效率为80.4%,XJM-2-3-60的首周可逆容量达到304.0 mA·h·g-1 ,首周库仑效率为82.2%.平台区提供可逆容量分别为143.7和144.5 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的48.22%和47.53%.XJM-1-3-60平台区容量占比较高,主要是因为材料石墨化度较高,石墨微晶尺寸较大,有利于层间储钠,而XJM-2-3-60总容量略高,认为其存在更多的缺陷位点,促进斜坡区钠离子的可逆存储.两者首周库仑效率均大于80%,XJM-2-3-60首周库仑效率略高.在首次充放电过程中,负极表面会形成一层SEI膜[22 ] ,影响钠离子的可逆脱嵌,限制首周库仑效率.XJM-1-3-60较大的比表面积意味着较多的不可逆脱嵌的钠离子,即相对较低的首周库仑效率.由倍率性能图可得,XJM-2-3-60倍率性能较优,在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为304.0、275.7、244.8、200.7、103.9、62.0和37.2 mA·h·g-1 ,其丰富的缺陷位点有利于在大电流密度下快速充放电[23 ] ,从而表现出较高的比容量. ...
... 对两种材料进行电化学性能测试,得到首周充放电曲线见图4 (e).结合图3 (e),在0.02 A·g-1 的电流密度下进行首次充放电,XJM-2-3-130、XJM-2-3-60和XJM-2-3-20首周可逆容量分别为274.0、 304.0和255.6 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为79.5%、82.2%和83.2%;斜坡区容量分别为136.5、159.5和139.4 mA·h·g-1 ,分别占比49.82%、52.47%和54.54%.随着气速降低,拉曼峰面积比A G /A D 减小,材料石墨化度逐渐降低,缺陷活性位点变多,斜坡区容量占比增加,对总容量的贡献增大,说明适量的缺陷可以提高总可逆容量[24 -25 ] .但气速过低时,以XJM-2-3-20为例,材料石墨化度较低,石墨微晶尺寸较小,平台区容量占比减少,导致总可逆容量也降低.首周库仑效率与材料比表面积呈负相关,再次印证较大的比表面积将增大首次充放电过程中用于形成SEI膜的Na+ 用量,而降低比表面积有利于减少不可逆容量损失,提高首周库仑效率.由图4 (f)可得,XJM-2-3-60倍率性能最佳,这是因为其石墨化度适中,层间储钠与缺陷吸附储钠充分发挥综合作用.电流密度较大时,XJM-2-3-20可逆比容量大于XJM-2-3-130,原因是XJM-2-3-20中较多的缺陷有利于快速充放电[23 ] . ...
Tuning morphology, defects and functional group types in hard carbon via phosphorus doped for rapid sodium storage
3
2021
... 对两种材料进行电化学性能测试,得到首周充放电曲线见图4 (e).结合图3 (e),在0.02 A·g-1 的电流密度下进行首次充放电,XJM-2-3-130、XJM-2-3-60和XJM-2-3-20首周可逆容量分别为274.0、 304.0和255.6 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为79.5%、82.2%和83.2%;斜坡区容量分别为136.5、159.5和139.4 mA·h·g-1 ,分别占比49.82%、52.47%和54.54%.随着气速降低,拉曼峰面积比A G /A D 减小,材料石墨化度逐渐降低,缺陷活性位点变多,斜坡区容量占比增加,对总容量的贡献增大,说明适量的缺陷可以提高总可逆容量[24 -25 ] .但气速过低时,以XJM-2-3-20为例,材料石墨化度较低,石墨微晶尺寸较小,平台区容量占比减少,导致总可逆容量也降低.首周库仑效率与材料比表面积呈负相关,再次印证较大的比表面积将增大首次充放电过程中用于形成SEI膜的Na+ 用量,而降低比表面积有利于减少不可逆容量损失,提高首周库仑效率.由图4 (f)可得,XJM-2-3-60倍率性能最佳,这是因为其石墨化度适中,层间储钠与缺陷吸附储钠充分发挥综合作用.电流密度较大时,XJM-2-3-20可逆比容量大于XJM-2-3-130,原因是XJM-2-3-20中较多的缺陷有利于快速充放电[23 ] . ...
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
Hard carbons for sodium-ion batteries and beyond
1
2020
... 对两种材料进行电化学性能测试,得到首周充放电曲线见图4 (e).结合图3 (e),在0.02 A·g-1 的电流密度下进行首次充放电,XJM-2-3-130、XJM-2-3-60和XJM-2-3-20首周可逆容量分别为274.0、 304.0和255.6 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为79.5%、82.2%和83.2%;斜坡区容量分别为136.5、159.5和139.4 mA·h·g-1 ,分别占比49.82%、52.47%和54.54%.随着气速降低,拉曼峰面积比A G /A D 减小,材料石墨化度逐渐降低,缺陷活性位点变多,斜坡区容量占比增加,对总容量的贡献增大,说明适量的缺陷可以提高总可逆容量[24 -25 ] .但气速过低时,以XJM-2-3-20为例,材料石墨化度较低,石墨微晶尺寸较小,平台区容量占比减少,导致总可逆容量也降低.首周库仑效率与材料比表面积呈负相关,再次印证较大的比表面积将增大首次充放电过程中用于形成SEI膜的Na+ 用量,而降低比表面积有利于减少不可逆容量损失,提高首周库仑效率.由图4 (f)可得,XJM-2-3-60倍率性能最佳,这是因为其石墨化度适中,层间储钠与缺陷吸附储钠充分发挥综合作用.电流密度较大时,XJM-2-3-20可逆比容量大于XJM-2-3-130,原因是XJM-2-3-20中较多的缺陷有利于快速充放电[23 ] . ...
Hard carbon anodes: fundamental understanding and commercial perspectives for Na-ion batteries beyond Li-ion and K-ion counterparts
1
2021
... XJM-2-1-60和XJM-2-5-60的氮气吸附脱附曲线如图5 (a)所示,曲线均为Ⅱ型等温曲线,伴随有回滞环.由表2 可得,通过BET方程算出XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的比表面积分别为10.55、14.50和9.41 m2 ·g-1 .总地来看,三组样品比表面积均处于一个比较低的水平,低的比表面积可以降低电极材料与电解液的接触面积,减少SEI膜的形成,有利于提高首周库仑效率[26 ] . ...
3D amorphous carbon with controlled porous and disordered structures as a high-rate anode material for sodium-ion batteries
3
2018
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... ,27 -30 ]相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
A porous biomass-derived anode for high-performance sodium-ion batteries
1
2018
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
Mesoporous soft carbon as an anode material for sodium ion batteries with superior rate and cycling performance
1
2016
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
Kelp-derived hard carbons as advanced anode materials for sodium-ion batteries
2
2017
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
Carboxyl-dominant oxygen rich carbon for improved sodium ion storage: synergistic enhancement of adsorption and intercalation mechanisms
2
2021
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... (mA·h·g
-1 )
首周库仑 效率/% 文献烟煤20314.382.8本文淀粉30305.090.5
[9 ] 无烟煤20252.269.6
[12 ] 次烟煤20291.079.5
[13 ] 聚苯胺20319.071.0
[14 ] 沥青和酚醛树脂30268.382.0
[17 ] 沥青和酚醛树脂30284.088.0
[22 ] 植酸和大豆蛋白50359.550.1
[24 ] 沥青30280.175.0
[27 ] 杏壳25400.079.0
[28 ] 中间相沥青30331.045.0
[29 ] 海带25334.064.0
[30 ] 无烟煤30368.047.7
[31 ] 无烟煤和 ...
Adsorption dominant sodium storage in three-dimensional coal-based graphite microcrystal/graphene composites
2
2019
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... 氧化石墨
50415.537.7
[32 ] 烟煤100306.054.3
[33 ] 图6 XJM-2-1-60和XJM-2-3-60样品在1 A·g<sup>-1</sup>电流密度下的循环性能图(a).XJM-2-1-60样品:在0.1 mV·s<sup>-1</sup>扫速下的循环伏安曲线图(b);交流阻抗图(c);在0.1~1.0 mV·s<sup>-1</sup>不同扫速下的循环伏安曲线图(d);扫速与氧化峰峰值的线性关系(e);扫速与还原峰峰值的线性关系(f) Cycle performance of XJM-2-1-60 and XJM-2-3-60 samples at a current density of 1 A·g<sup>-1</sup> (a). XJM-2-1-60: CV curves at a scan rate of 1.0 mV·s<sup>-1</sup> (b); electrochemical impedance spectroscopy (c); CV curves at scan rates of 0.1—1.0 mV·s<sup>-1</sup> (d); linear relationship between ln <i>i</i> (logarithm current) and ln <i>v</i> (logarithm scan rate) of oxidation peaks (e); linear relationship between ln <i>i</i> (logarithm current) and ln <i>v</i> (logarithm scan rate) of reduction peaks (f) Fig.6 ![]()
在0.1 mV·s-1 的扫速下对XJM-2-1-60进行循环伏安测试,结果如图6 (b)所示.首次循环曲线中,0和0.1 V附近的一对还原氧化峰分别代表钠离子在层间的嵌入和脱出,0.5 V附近的还原峰代表负极材料表面SEI膜的形成.此后的两次循环中,0.5 V附近的还原峰消失,再次说明SEI膜的形成主要发生在首次充放电的过程中[34 ] .对XJM-2-1-60材料CV前后的半电池进行电化学阻抗图谱测试,结果如图6 (c)所示.谱图在中频区变为半圆形,此后变为一条直线[35 ] ,分别代表电荷转移电阻和钠离子在电极材料中的扩散电阻[33 ] .CV后的中频区半圆明显变宽,说明经过连续的充放电过程后,电极材料表面形成SEI膜,电荷传递阻力增大. ...
Boosting the sodium storage performance of coal-based carbon materials through structure modification by solvent extraction
4
2020
... 将两种样品作为负极材料组装成半电池进行恒流充放电测试,结果如图5 (e)、(f)所示.电流密度为0.02 A·g-1 时,XJM-2-1-60、XJM-2-3-60和XJM-2-5-60的首周可逆容量分别为314.3、304.0和281.5 mA·h·g-1 ,首周库仑效率分别为82.8%、82.2%和82.8%.可见,随着350~550℃内升温速率的提高,首周可逆容量逐渐降低.0.02 A·g-1 下,电压平台区提供的可逆容量分别为156.4、144.5和131.3 mA·h·g-1 ,分别占总可逆容量的49.76%、47.53%和46.64%.总可逆容量、平台区可逆容量及占比变化趋势与石墨化度变化趋势相符合,表明高的石墨化度促进了钠离子的插层可逆存储.所有样品首周库仑效率都比较高,均在80%以上且差别不大,与氮气等温吸附分析结果一致.如表3 所示[27 -33 ] ,相较于之前研究报道的炭基材料,综合考虑可逆比容量和首周库仑效率,本研究制备的硬炭负极电化学性能处于较佳水平.与那些未经特殊处理,仅是将原煤粉碎后除灰、炭化[12 ] 或直接炭化[13 ] 的材料对比,本文中的材料首周可逆容量和首周库仑效率都较优.尤其是首周库仑效率要明显高于其他经过改性的煤基炭材料,掺氧的富羧基无烟煤基炭首周库仑效率仅为47.7%[31 ] ,三维煤基石墨微晶/石墨烯复合材料(3D-CGC/G)为37.1%[32 ] ,以经过溶剂萃取后的烟煤为原料合成的负极材料仅有54.3%[33 ] ,虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... [33 ],虽然它们的容量比本文中的材料要高,但首周库仑效率过低,缺陷比较明显.与以其他前体比如沥青、生物质等制备的硬炭或软炭材料[9 ,14 ,17 ,22 ,24 ,27 -30 ] 相比,本研究制备的硬炭负极优势体现在首周可逆容量和首周库仑效率都较高且比较均衡,并非只追求高的比容量而放弃首周库仑效率.对升温速率不同的三组样品进行倍率性能测试,发现XJM-2-1-60在0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00和2.00 A·g-1 的电流密度下,可逆比容量分别为314.3、288.7、268.4、237.2、149.1、79.4和52.2 mA·h·g-1 ,倍率性能较优,得益于其石墨化程度较高,导电性较好.选择首周可逆容量较高、倍率性能较优的XJM-2-1-60和XJM-2-3-60进行长循环性能测试,结果如图6 (a)所示.两者在1 A·g-1 的电流密度下循环500次后容量分别达到41.4和45.8 mA·h·g-1 ,保持率分别为76.4%和90.1%,库仑效率均接近100%.XJM-2-1-60石墨化度较高,更依赖于层间储钠,而由于其比表面积较低,孔结构较少,无法缓解炭材料在循环过程中的体积膨胀,易导致石墨片层剥离,材料粉化,循环性能变差.相比之下,XJM-2-3-60缺陷位点较丰富,有利于吸附储钠,相较于插层储钠,减少了对结构的破坏,有利于保持结构的稳定性. ...
... 氧化石墨
50415.537.7
[32 ] 烟煤100306.054.3
[33 ] 图6 XJM-2-1-60和XJM-2-3-60样品在1 A·g<sup>-1</sup>电流密度下的循环性能图(a).XJM-2-1-60样品:在0.1 mV·s<sup>-1</sup>扫速下的循环伏安曲线图(b);交流阻抗图(c);在0.1~1.0 mV·s<sup>-1</sup>不同扫速下的循环伏安曲线图(d);扫速与氧化峰峰值的线性关系(e);扫速与还原峰峰值的线性关系(f) Cycle performance of XJM-2-1-60 and XJM-2-3-60 samples at a current density of 1 A·g<sup>-1</sup> (a). XJM-2-1-60: CV curves at a scan rate of 1.0 mV·s<sup>-1</sup> (b); electrochemical impedance spectroscopy (c); CV curves at scan rates of 0.1—1.0 mV·s<sup>-1</sup> (d); linear relationship between ln <i>i</i> (logarithm current) and ln <i>v</i> (logarithm scan rate) of oxidation peaks (e); linear relationship between ln <i>i</i> (logarithm current) and ln <i>v</i> (logarithm scan rate) of reduction peaks (f) Fig.6 ![]()
在0.1 mV·s-1 的扫速下对XJM-2-1-60进行循环伏安测试,结果如图6 (b)所示.首次循环曲线中,0和0.1 V附近的一对还原氧化峰分别代表钠离子在层间的嵌入和脱出,0.5 V附近的还原峰代表负极材料表面SEI膜的形成.此后的两次循环中,0.5 V附近的还原峰消失,再次说明SEI膜的形成主要发生在首次充放电的过程中[34 ] .对XJM-2-1-60材料CV前后的半电池进行电化学阻抗图谱测试,结果如图6 (c)所示.谱图在中频区变为半圆形,此后变为一条直线[35 ] ,分别代表电荷转移电阻和钠离子在电极材料中的扩散电阻[33 ] .CV后的中频区半圆明显变宽,说明经过连续的充放电过程后,电极材料表面形成SEI膜,电荷传递阻力增大. ...
... 在0.1 mV·s-1 的扫速下对XJM-2-1-60进行循环伏安测试,结果如图6 (b)所示.首次循环曲线中,0和0.1 V附近的一对还原氧化峰分别代表钠离子在层间的嵌入和脱出,0.5 V附近的还原峰代表负极材料表面SEI膜的形成.此后的两次循环中,0.5 V附近的还原峰消失,再次说明SEI膜的形成主要发生在首次充放电的过程中[34 ] .对XJM-2-1-60材料CV前后的半电池进行电化学阻抗图谱测试,结果如图6 (c)所示.谱图在中频区变为半圆形,此后变为一条直线[35 ] ,分别代表电荷转移电阻和钠离子在电极材料中的扩散电阻[33 ] .CV后的中频区半圆明显变宽,说明经过连续的充放电过程后,电极材料表面形成SEI膜,电荷传递阻力增大. ...
Catalytic graphitization of anthracite as an anode for lithium-ion batteries
1
2020
... 在0.1 mV·s-1 的扫速下对XJM-2-1-60进行循环伏安测试,结果如图6 (b)所示.首次循环曲线中,0和0.1 V附近的一对还原氧化峰分别代表钠离子在层间的嵌入和脱出,0.5 V附近的还原峰代表负极材料表面SEI膜的形成.此后的两次循环中,0.5 V附近的还原峰消失,再次说明SEI膜的形成主要发生在首次充放电的过程中[34 ] .对XJM-2-1-60材料CV前后的半电池进行电化学阻抗图谱测试,结果如图6 (c)所示.谱图在中频区变为半圆形,此后变为一条直线[35 ] ,分别代表电荷转移电阻和钠离子在电极材料中的扩散电阻[33 ] .CV后的中频区半圆明显变宽,说明经过连续的充放电过程后,电极材料表面形成SEI膜,电荷传递阻力增大. ...
N/O/P-rich three-dimensional carbon network for fast sodium storage
1
2020
... 在0.1 mV·s-1 的扫速下对XJM-2-1-60进行循环伏安测试,结果如图6 (b)所示.首次循环曲线中,0和0.1 V附近的一对还原氧化峰分别代表钠离子在层间的嵌入和脱出,0.5 V附近的还原峰代表负极材料表面SEI膜的形成.此后的两次循环中,0.5 V附近的还原峰消失,再次说明SEI膜的形成主要发生在首次充放电的过程中[34 ] .对XJM-2-1-60材料CV前后的半电池进行电化学阻抗图谱测试,结果如图6 (c)所示.谱图在中频区变为半圆形,此后变为一条直线[35 ] ,分别代表电荷转移电阻和钠离子在电极材料中的扩散电阻[33 ] .CV后的中频区半圆明显变宽,说明经过连续的充放电过程后,电极材料表面形成SEI膜,电荷传递阻力增大. ...
Oxygen-deficient anatase TiO2 @C nanospindles with pseudocapacitive contribution for enhancing lithium storage
1
2018
... 为进一步探究钠离子在电极材料中存储时的扩散行为和电容行为,在0.1~1.0 mV·s-1 不同扫速下对XJM-2-1-60进行循环伏安测试,并基于等式i =avb 对扫描速度和电流峰值进行线性拟合,式中的a 和b 值均可调[36 ] ,结果如图6 (d)~(f)所示.b 值可以在一定程度上反映钠离子的存储机制,当b 接近0.5时,扩散行为占据主导地位;当b 接近1时,电容行为占主导地位[37 ] ;b 在两者之间时为混合的动力学过程[38 ] .对等式i =avb 的两侧取对数,以lnv 为自变量,lni 为因变量进行拟合可得一条斜率为b 的直线,代入数据算出氧化峰和还原峰的b 值分别为0.216和0.333,说明在制得的电极材料中,钠离子的存储为扩散控制过程. ...
Simple and scalable synthesis of CuS as an ultrafast and long-cycling anode for sodium ion batteries
1
2019
... 为进一步探究钠离子在电极材料中存储时的扩散行为和电容行为,在0.1~1.0 mV·s-1 不同扫速下对XJM-2-1-60进行循环伏安测试,并基于等式i =avb 对扫描速度和电流峰值进行线性拟合,式中的a 和b 值均可调[36 ] ,结果如图6 (d)~(f)所示.b 值可以在一定程度上反映钠离子的存储机制,当b 接近0.5时,扩散行为占据主导地位;当b 接近1时,电容行为占主导地位[37 ] ;b 在两者之间时为混合的动力学过程[38 ] .对等式i =avb 的两侧取对数,以lnv 为自变量,lni 为因变量进行拟合可得一条斜率为b 的直线,代入数据算出氧化峰和还原峰的b 值分别为0.216和0.333,说明在制得的电极材料中,钠离子的存储为扩散控制过程. ...
Highly reversible alloying/dealloying behavior of SnSb nanoparticles incorporated into N-rich porous carbon nanowires for ultra-stable Na storage
1
2019
... 为进一步探究钠离子在电极材料中存储时的扩散行为和电容行为,在0.1~1.0 mV·s-1 不同扫速下对XJM-2-1-60进行循环伏安测试,并基于等式i =avb 对扫描速度和电流峰值进行线性拟合,式中的a 和b 值均可调[36 ] ,结果如图6 (d)~(f)所示.b 值可以在一定程度上反映钠离子的存储机制,当b 接近0.5时,扩散行为占据主导地位;当b 接近1时,电容行为占主导地位[37 ] ;b 在两者之间时为混合的动力学过程[38 ] .对等式i =avb 的两侧取对数,以lnv 为自变量,lni 为因变量进行拟合可得一条斜率为b 的直线,代入数据算出氧化峰和还原峰的b 值分别为0.216和0.333,说明在制得的电极材料中,钠离子的存储为扩散控制过程. ...