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华南农业大学:以山茶花壳为原料制备碳材料,用于高性能钠离子电池和钠离子混合电容器
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-06-07  点击数:31

  1成果简介
  生物质衍生碳作为储能材料,因其低成本、可持续性和固有的结构优势而逐渐受到广泛关注。本文,华南农业大学禹筱元 教授团队在《Carbon Neutralization》期刊发表名为“Hybrid catalyst-assisted synthesis of multifunctional carbon derived from Camellia shell for high-performance sodium-ion batteries and sodium-ion hybrid capacitors”的论文,研究以山茶花壳为生物质前驱体,通过不同的处理方法合成了用于钠离子电池(SIB)、钠离子电容器(SIC)半电池和钠离子混合电容器(SIHC)的硬质碳(H-1200)和多孔碳(PC-800)。直接高温碳化合成的 H-1200 具有合理的石墨层结构和丰富的杂原子。
  将其用作 SIB 的阳极时,在 25mA g-1 的条件下,其可逆容量为 365.5 mAh g-1,在 200mA g-1 条件下循环400次后,容量保持率为 89.0%。此外,通过催化碳化 K2C2O4/CaC2O4 混合催化剂制备的PC-800具有复杂的多孔结构和 2186.9 平方米 g-1 的高表面积。将其用作SIC的阴极时,当电流为 100mA g-1 时,最大容量为 104.2mAh g-1;当电流为5Ag-1 时,最大容量为 35.0mAh g-1。此外,以 H-1200 为阳极、PC-800为阴极的全碳组装 SIHC (H-1200||PC-800)具有输出电压范围宽(0.01 ~ 4.1V)、能量密度高(161.5Wh kg-1)、功率密度高(12896.1W kg-1)以及在 10 A g-1 条件下循环10000次后容量保持率高(90.32%)等特点。这项研究成果为构建低成本、大规模生产生物质衍生碳储能材料开辟了新天地。
  2图文导读 

 

  图1、(a) 硬碳阳极和多孔碳阴极材料合成过程的系统图解;(b) 硬碳材料的 XRD 结果;(c) H-1200 阳极材料的拉曼光谱、(d, e) SEM 和 (f) HRTEM 图像。HRTEM:高分辨率透射电子显微镜;XRD:X 射线衍射仪。

 

  图2、(a) H-1200硬质碳阳极材料的XPS测量光谱;(b–d)H-1200硬质碳阳极材料的C1s、N1s、O1s元素的高分辨率XPS光谱。

 

 


  图3、(a) 多孔碳材料的XRD结果;(b) PC-800材料的拉曼光谱;(c,d)多孔碳材料的N2吸附-解吸曲线和PC-800的孔径分布;(e) SEM结果和(f)PC-800材料的HRTEM图像。

 


  图4、(a) PC-800材料的XPS测量光谱;(b–d)PC-800材料的C1s、N1s和O1s元素的高分辨率XPS光谱。XPS、X射线光电子能谱。

 

  图5、(a) H-1100、(b) H-1200、(c) H-1300 阳极材料的 GCD 曲线;(d) H-1200 阳极的速率性能;硬碳阳极在以下条件下的循环性能 (e) 25 mAg-1,(f) 50 mAg-1(高负荷下);(g) 200 mAg-1。GCD:电静态充放电。

 


  图6、多孔碳阴极在以下条件下的循环性能 (a) 200 mA g-1;(b) 500 mA g-1;(c) PC-800 阴极的速率性能;(d) 不同多孔碳阴极在 0.2 mV s-1 下的 CV 曲线;(e, f) PC-800 阴极在不同扫描速率下的 CV 曲线。CV:循环伏安法。
  3小结
  综上所述,本文呢研究了一种单一且经济有效的生物质前驱体--茶花壳,以获得高性能 SIHC。通过高温煅烧获得的硬碳阳极(H-1200)具有内部石墨微晶结构和合理的石墨层间距离,这确保了 Na 的良好插入动力学。因此,在 25 mA g-1 的条件下,H-1200 的比容量达到了 365.5 mAh g+-1。此外,通过催化碳化新型环保混合催化剂 K2C2O4/CaC2O4 合成的多孔碳阴极(PC-800)具有相当大的比表面积(2186.9 m2 g-1)。三维分层多孔结构提供了足够的电容效应,增加了与电解质的接触面积,促进了离子传输。因此,PC-800 的比容量在 100mA 和 200mA g-1 条件下可分别达到 104.2 mAh g-1 和 84.9 mAh g-1,并能进一步承受5Ag-1 的高电流密度。
  此外,采用H-1200阳极和PC-800阴极组装的全碳 SIHC 实现了宽工作电压范围(0.01 ~ 4.1 V)、高能量密度(161.5 Wh kg-1)、功率密度(12896.1 W kg-1)和长循环寿命(10000 次循环后容量保持率为 90.32%)。这些结果不仅证明了山茶壳衍生多功能碳材料在SIBs、SICs半电池和SIHCs领域的广阔前景,也为构建生物质废弃物衍生碳的低成本、生态友好型制备和优异的电化学性能的储能材料提供了新的视野。
  文献:

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