(資料圖)
通訊員 郜蓉?科技日報記者?滕繼濮?實習記者?韓榮
你能想象嗎？通過化學反應，淀粉或許可以成為電池的一部分。近日，中國科學院山西煤化所陳成猛研究員帶領的科研團隊，利用酯化改性后的淀粉，通過低溫氫氣還原和高溫碳化反應制備了鈉離子電池負極材料——硬炭，相關論文在《Energy Storage Materials》上發表。
當下，鋰離子電池幾乎充斥了可充電電池市場。而我國目前用于制備鋰離子電池的鋰資源主要依賴于進口，成本較高。與之相比，鈉資源分布廣泛，成本低，且鈉離子電池高低溫性能優異，安全性也更加穩定，因此鈉離子電池體系不斷得到關注。
陳成猛介紹，隨著鈉離子電池體系的不斷完善以及學術界和產業界的積極互動，鈉離子電池有望在新能源汽車、大規模儲能以及儲能電網等多個領域中得到應用，是一種很有市場前景的新技術。然而，科研人員發現鈉離子電池在實際應用中存在一定阻礙，其中硬炭首次庫倫效率較低是主要原因之一。因此需要研發儲鈉效率更高且廉價穩定的負極材料。
在研究過程中，科研人員發現硬炭材料的性能不僅與制備方式有關，而且很大程度上取決于所用前驅體的性質。制備硬炭的前驅體一般具有熱固性的樹脂、聚合物以及生物質等。除碳以外，氧是眾多前驅體中存在最多的元素，并且在高溫熱解及炭化過程中不斷釋放。因此前驅體中氧含量的多少將會影響其熱解過程以及最終炭材料的微觀結構。
根據這一設想，中科院山西煤化所陳成猛研究員帶領的科研團隊，利用低溫氫氣還原策略對酯化淀粉原料進行預處理，通過改變反應溫度來調節反應產物前驅體中氧元素含量。隨后，又對不同樣品進一步高溫炭化，制備了硬炭材料，也就是通過氧元素含量的變化實現了對最終產物——硬炭的微觀結構調控。為研究不同的氫氣還原反應溫度對最終材料結構的影響，科研人員選擇了多個還原溫度展開試驗，有力證實了氧元素含量對硬炭材料性能的影響。
“近年來，鈉離子電池因其生產成本低、安全性能高等優勢，引起了學術界和工業界的廣泛關注以及戰略布局。”陳成猛表示，作為該類電池的電極材料，硬炭因其結構特征和優勢更適合于存儲半徑較大的鈉離子，并且具有成本低、綠色可持續性等優點，未來以硬炭作為負極的鈉離子電池有望走出實驗室進入人們的生活。“結合鈉離子電池的成本和能量密度，其在低速汽車、大規模儲能以及智能電網等領域具有廣闊的應用前景。”陳成猛說。
據悉，目前的研究成果對于后續進行高性能硬炭材料的開發奠定了很好的基礎。下一步科研團隊還會從原材料出發，構建該材料的結構模型并搭建相應的數據庫，并針對特定應用場景進行硬炭材料的開發，例如高功率、超低溫以及高溫等。
