El carbono duro se refiere al carbono difícil de grafitizar, que es un tipo de carbono pirolítico que se obtiene pirolizando polímeros de alto peso molecular, productos petroquímicos, biomasa, etc. Debido a la presencia de una gran cantidad de H, O, N y otros heteroátomos en el precursor. , se dificulta la formación de regiones cristalinas durante el tratamiento térmico, lo que dificulta la grafitización a altas temperaturas superiores a 2500 °C.
Según las diferentes temperaturas de carbonización pirolítica, los materiales de carbono duro se pueden dividir en carbón pirolítico de alta temperatura entre 1000 y 1400 °C y carbón pirolítico de baja temperatura entre 500 y 1000 °C. Según las diferentes fuentes de carbono, se puede dividir en carbono de resina (como resina fenólica, resina epoxi, resina de alcohol polifurfurílico, etc.), carbono de polímero orgánico (como PVA, PVC, PVDF, PAN, etc.), negro de humo. (negro de acetileno preparado mediante el método CVD), etc.), carbono de biomasa (como residuos y cáscaras de plantas, etc.), etc.
El carbono duro favorece la inserción de litio sin provocar una expansión significativa de la estructura y tiene un buen rendimiento del ciclo de carga y descarga. El carbono duro utilizado como ánodo para las baterías de iones de litio se prepara principalmente a partir de precursores como los de brea, biomasa y resina.
Los precursores para preparar carbón duro incluyen asfalto, biomasa, azúcar, resina fenólica, polímeros orgánicos, etc. Los materiales de carbón duro preparados a partir de diferentes sustancias muestran curvas de carga y descarga similares.
① Preparación de carbón duro a partir de brea.
El precursor a base de brea es un mejor precursor para la preparación de carbono duro debido a su alta tasa de residuos de carbono, amplia fuente de materias primas y bajo precio. Sin embargo, la preparación de carbono duro a partir de brea requiere un tratamiento previo, porque la brea es propensa a grafitizarse para formar una estructura similar al grafito durante el proceso de carbonización. El pretratamiento del asfalto generalmente utiliza un agente reticulante para reticular el asfalto, cambiando su microestructura, obstaculizando el crecimiento de cristales de grafito durante el proceso de carbonización por pirólisis y realizando un proceso de carbonización en fase sólida para obtener materiales de carbono duro; otro El método de preparación de asfalto es el método de preoxidación, que utiliza oxidantes para preoxidar el asfalto y obtener asfalto preoxidado con un cierto contenido de oxígeno. Debido a la presencia de heteroátomos de oxígeno, es difícil que la brea forme una estructura ordenada durante el proceso de pirólisis y carbonización, lo que da como resultado un material de carbono duro con una microestructura relativamente caótica.
② Preparación de carbono duro a partir de biomasa.
La biomasa tiene una amplia gama de fuentes, es ecológica y respetuosa con el medio ambiente, y tiene heteroátomos ricos y una microestructura única, que puede usarse como precursor para la preparación de carbono duro. Algunos investigadores han utilizado la cáscara de pomelo como fuente de carbono para preparar materiales de carbono duro. Su investigación cree que el excelente rendimiento de inserción de litio de la muestra preparada está estrechamente relacionado con la estructura de poros única del material. Esta estructura ayuda a que el material entre en contacto total con el electrolito, proporcionando canales y más sitios de inserción de litio para el transporte de Li+ dentro del material.
③ Preparación de carbono duro a partir de polímeros orgánicos.
En comparación con la biomasa, la estructura molecular de los polímeros orgánicos es relativamente simple y controlable. La estructura molecular relevante se puede diseñar según sea necesario. Es un excelente precursor para preparar carbón duro. Algunos investigadores utilizaron resina fenólica como precursor de carbono y obtuvieron materiales de carbono duro a base de resina mediante pirólisis y carbonización, y los utilizaron como materiales de electrodos negativos para baterías de iones de litio y materiales de electrodos para supercondensadores. La capacidad de la batería de iones de litio puede alcanzar los 526 mAh·g-1. La eficiencia del primer Coulomb puede alcanzar los 80%.
Lo anterior es una introducción a las características del carbón duro y su preparación. El carbono duro tiene una gran cantidad de estructuras microporosas y una estructura en capas con un espaciado entre capas mayor que el grafito, lo que permite que los iones de litio se desintercalen rápidamente y tiene un rendimiento de velocidad excelente. Algunos materiales de carbono duro tienen un mayor rendimiento de almacenamiento de litio que los materiales tradicionales de ánodo de grafito. Por lo tanto, el carbono duro también se considera un material anódico prometedor. Con el avance de la tecnología y la investigación en profundidad, creo que la aplicación de materiales de carbono duro en ánodos de baterías de litio también desarrollará su propio mundo.
