Harter Kohlenstoff bezieht sich auf schwer graphitisierbaren Kohlenstoff, eine Art Pyrolysekohlenstoff, der durch Pyrolyse hochmolekularer Polymere, petrochemischer Produkte, Biomasse usw. gewonnen wird. Aufgrund des Vorhandenseins einer großen Anzahl von H, O, N und anderen Heteroatomen im Vorläufer , wird die Bildung kristalliner Bereiche während der Wärmebehandlung behindert, was die Graphitisierung bei hohen Temperaturen über 2500 °C erschwert.
Entsprechend den unterschiedlichen pyrolytischen Karbonisierungstemperaturen können Hartkohlenstoffmaterialien in Hochtemperatur-Pyrolysekohlenstoff zwischen 1000–1400 °C und Niedertemperatur-Pyrolysekohlenstoff zwischen 500–1000 °C unterteilt werden. Je nach Kohlenstoffquelle kann er in Harzkohlenstoff (wie Phenolharz, Epoxidharz, Polyfurfurylalkoholharz usw.), organischen Polymerkohlenstoff (wie PVA, PVC, PVDF, PAN usw.) und Ruß unterteilt werden (durch CVD-Verfahren hergestelltes Acetylenruß) usw.), Biomassekohlenstoff (wie Pflanzenreste und Schalen usw.) usw.
Hartkohlenstoff begünstigt die Einfügung von Lithium, ohne eine nennenswerte Ausdehnung der Struktur zu verursachen, und weist eine gute Lade- und Entladezyklusleistung auf. Harter Kohlenstoff, der als Anode für Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, wird hauptsächlich aus Vorläufern wie Pech, Biomasse und Harz hergestellt.
Zu den Vorläufern für die Herstellung von Hartkohlenstoff gehören Asphalt, Biomasse, Zucker, Phenolharz, organische Polymere usw. Hartkohlenstoffmaterialien, die aus verschiedenen Substanzen hergestellt werden, zeigen ähnliche Lade- und Entladekurven.
① Herstellung von Hartkohlenstoff aus Pech
Pechbasierter Vorläufer ist aufgrund seines hohen Kohlenstoffrückstandsanteils, der breiten Rohstoffquelle und des niedrigen Preises ein besserer Vorläufer für die Herstellung von Hartkohlenstoff. Die Herstellung von Hartkohlenstoff aus Pech erfordert jedoch eine Vorbehandlung, da Pech dazu neigt, während des Karbonisierungsprozesses zu graphitieren und eine graphitähnliche Struktur zu bilden. Bei der Asphaltvorbehandlung wird üblicherweise ein Vernetzungsmittel verwendet, um den Asphalt zu vernetzen, seine Mikrostruktur zu verändern, das Wachstum von Graphitkristallen während des Pyrolyse-Karbonisierungsprozesses zu verhindern und einen Festphasen-Karbonisierungsprozess durchzuführen, um harte Kohlenstoffmaterialien zu erhalten; Eine andere Methode zur Herstellung von Asphalt ist die Voroxidationsmethode, bei der Oxidationsmittel zum Voroxidieren des Asphalts verwendet werden, um voroxidierten Asphalt mit einem bestimmten Sauerstoffgehalt zu erhalten. Aufgrund der Anwesenheit von Sauerstoffheteroatomen ist es für Pech schwierig, während des Pyrolyse- und Karbonisierungsprozesses eine geordnete Struktur zu bilden, was zu einem harten Kohlenstoffmaterial mit einer relativ chaotischen Mikrostruktur führt.
② Herstellung von Hartkohlenstoff aus Biomasse
Biomasse hat eine breite Palette an Quellen, ist grün und umweltfreundlich und verfügt über reiche Heteroatome und eine einzigartige Mikrostruktur, die als Vorläufer für die Herstellung von Hartkohlenstoff verwendet werden kann. Einige Forscher haben Grapefruitschalen als Kohlenstoffquelle zur Herstellung harter Kohlenstoffmaterialien verwendet. Ihre Forschung geht davon aus, dass die hervorragende Lithiumeinlagerungsleistung der vorbereiteten Probe eng mit der einzigartigen Porenstruktur des Materials zusammenhängt. Diese Struktur trägt dazu bei, dass das Material den Elektrolyten vollständig kontaktiert, wodurch Kanäle und mehr Lithium-Einfügungsstellen für den Li+-Transport innerhalb des Materials bereitgestellt werden.
③ Herstellung von Hartkohlenstoff aus organischen Polymeren
Im Vergleich zu Biomasse ist die molekulare Struktur organischer Polymere relativ einfach und kontrollierbar. Die entsprechende Molekülstruktur kann nach Bedarf gestaltet werden. Es ist ein hervorragender Vorläufer für die Herstellung von Hartkohlenstoff. Einige Forscher verwendeten Phenolharz als Kohlenstoffvorläufer und erhielten durch Pyrolyse und Karbonisierung harte Kohlenstoffmaterialien auf Harzbasis und verwendeten sie als negative Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien und Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren. Die Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus kann 526 mAh·g-1 erreichen. Der erste Coulomb-Wirkungsgrad kann 80% erreichen.
Das Obige ist eine Einführung in die Eigenschaften von Hartkohlenstoff und seiner Herstellung. Hartkohlenstoff weist eine große Anzahl mikroporöser Strukturen und eine Schichtstruktur mit einem größeren Zwischenschichtabstand als Graphit auf, was eine schnelle Deinterkalation von Lithiumionen ermöglicht und eine hervorragende Geschwindigkeitsleistung aufweist. Einige Hartkohlenstoffmaterialien weisen eine höhere Lithiumspeicherleistung auf als herkömmliche Graphitanodenmaterialien. Daher gilt Hartkohlenstoff auch als vielversprechendes Anodenmaterial. Ich glaube, dass mit der Weiterentwicklung der Technologie und intensiver Forschung auch die Anwendung harter Kohlenstoffmaterialien in Anoden von Lithiumbatterien eine eigene Welt entwickeln wird.
