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材料导报  2025, Vol. 39 Issue (16): 24070125-6    https://doi.org/10.11896/cldb.24070125
  无机非金属及其复合材料 |
天然生物聚合物衍生硬炭材料的微观结构与储钠性能
刘冬旭1, 宋皓炜1, 刘鹏1, 姚青荣1, 王仲民2, 邓健秋1,*
1 桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西 桂林 541004
2 广西科学院高性能材料研究所,南宁 530012
Microstructure and Sodium Storage Performance of Biopolymers-derived Hard Carbon
LIU Dongxu1, SONG Haowei1, LIU Peng1, YAO Qingrong1, WANG Zhongmin2, DENG Jianqiu1,*
1 School of Materials Science and Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, Guangxi, China
2 Institute of High-performance Materials, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530012, China
下载:  全 文 ( PDF ) ( 11699KB ) 
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摘要 生物质衍生硬炭材料具有可逆容量高、原料来源广泛、成本低廉的优点,有望成为钠离子电池商业化应用的负极材料之一。本工作以天然生物聚合物(纤维素、半纤维素和木质素)为原料,采用一步炭化法分别制备出硬炭负极材料。XRD结果表明,几种天然生物聚合物经炭化后均形成具有高度无序结构的无定形硬炭材料。其中,纤维素微观形貌呈棒状,比表面积为3.04 m2·g-1,平均孔径为6.84 nm,这种结构有利于钠离子储存,从而使纤维素衍生硬炭材料用作钠离子电池负极材料时在50 mA·g-1的电流密度下充电容量达288.8 mAh·g-1,首次库仑效率高达90.1%,而在500 mA·g-1的电流密度下经历500圈充放电循环后充电容量仍达213.0 mAh·g-1,容量保持率为86.6%。本工作可为开发高性能生物质硬炭负极材料提供一种新的研究思路。
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刘冬旭
宋皓炜
刘鹏
姚青荣
王仲民
邓健秋
关键词:  钠离子电池  负极材料  硬炭  生物聚合物  电化学性能    
Abstract: The biomass-derived hard carbon materials exhibit high reversible capacity, abundant resource, and low cost, making them promising anode candidates for commercial sodium-ion batteries (SIBs). In this work, three kinds of natural biopolymers (cellulose, hemicellulose, and lignin) have been utilized as raw materials to prepare hard carbon anode materials through a one-step carbonization method. X-ray diffraction (XRD) results indicated that the carbonized products of the three kinds of natural biopolymers formed amorphous hard carbon materials with highly disordered structures. Among them, the cellulose-derived hard carbon exhibited a rod-like microstructure with a specific surface area of 3.04 m2·g-1 and an average pore diameter of 6.84 nm, which benefited its sodium ion storage. Consequently, the SIB anode made of the cellulose-derived hard carbon material demonstrated a charge capacity of 288.8 mAh·g-1 at a current density of 50 mA·g-1, with an initial Coulombic efficiency of 90.1%, and more particularly, maintained a charge capacity of 213.0 mAh·g-1 after 500 charge-discharge cycles at 500 mA·g-1, corresponding to a capacity retention of 86.6%. The present work may provide a technical inspiration for the development of high-performance biomass-derived hard carbon anodes for SIBs.
Key words:  sodium-ion battery    anode material    hard carbon    biopolymer    electrochemical performance
出版日期:  2025-08-15      发布日期:  2025-08-15
ZTFLH:  TB39  
基金资助: 国家自然科学基金(52362029);广西自然科学基金(2024GXNSFBA010137;2019GXNSFDA245014)
通讯作者:  邓健秋,博士,桂林电子科技大学材料科学与工程学院教授、博士研究生导师。目前主要从事电化学储能电池及其材料的研究工作。jqdeng@guet.edu.cn   
作者简介:  刘冬旭,桂林电子科技大学材料科学与工程学院硕士研究生,主要研究领域为钠离子电池负极材料。
引用本文:    
刘冬旭, 宋皓炜, 刘鹏, 姚青荣, 王仲民, 邓健秋. 天然生物聚合物衍生硬炭材料的微观结构与储钠性能[J]. 材料导报, 2025, 39(16): 24070125-6.
LIU Dongxu, SONG Haowei, LIU Peng, YAO Qingrong, WANG Zhongmin, DENG Jianqiu. Microstructure and Sodium Storage Performance of Biopolymers-derived Hard Carbon. Materials Reports, 2025, 39(16): 24070125-6.
链接本文:  
https://www.mater-rep.com/CN/10.11896/cldb.24070125  或          https://www.mater-rep.com/CN/Y2025/V39/I16/24070125
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