Le carbone dur fait référence au carbone difficilement graphitable, qui est une sorte de carbone pyrolytique obtenu par pyrolyse de polymères de haut poids moléculaire, de produits pétrochimiques, de biomasse, etc. En raison de la présence d'un grand nombre de H, O, N et d'autres hétéroatomes dans le précurseur , la formation de régions cristallines pendant le traitement thermique est entravée, ce qui rend difficile la graphitisation à des températures élevées supérieures à 2 500 °C.
Selon les différentes températures de carbonisation pyrolytique, les matériaux carbonés durs peuvent être divisés en carbone pyrolytique à haute température entre 1 000 et 1 400 °C et en carbone pyrolytique à basse température entre 500 et 1 000 °C. Selon différentes sources de carbone, il peut être divisé en carbone résineux (tel que résine phénolique, résine époxy, résine d'alcool polyfurfurylique, etc.), carbone polymère organique (tel que PVA, PVC, PVDF, PAN, etc.), noir de carbone. (noir d'acétylène préparé par méthode CVD) etc.), le carbone de la biomasse (tel que les résidus végétaux et les coquilles, etc.), etc.
Le carbone dur est propice à l'insertion du lithium sans provoquer d'expansion significative de la structure et présente de bonnes performances de cycle de charge et de décharge. Le carbone dur utilisé comme anode pour les batteries lithium-ion est principalement préparé à partir de précurseurs tels que la brai, la biomasse et la résine.
Les précurseurs pour la préparation du carbone dur comprennent l'asphalte, la biomasse, le sucre, la résine phénolique, les polymères organiques, etc. Les matériaux carbonés durs préparés à partir de différentes substances présentent des courbes de charge et de décharge similaires.
① Préparation du carbone dur à partir du brai
Le précurseur à base de brai est un meilleur précurseur pour la préparation du carbone dur en raison de son taux élevé de résidus de carbone, de sa large source de matières premières et de son prix bas. Cependant, la préparation du carbone dur à partir du brai nécessite un prétraitement, car le brai est sujet à la graphitisation pour former une structure semblable au graphite pendant le processus de carbonisation. Le prétraitement de l'asphalte utilise généralement un agent de réticulation pour réticuler l'asphalte, modifiant sa microstructure, empêchant la croissance des cristaux de graphite pendant le processus de carbonisation par pyrolyse et effectuant un processus de carbonisation en phase solide pour obtenir des matériaux carbonés durs ; une autre méthode de préparation de l'asphalte est la méthode de pré-oxydation, qui utilise des oxydants pour pré-oxyder l'asphalte afin d'obtenir de l'asphalte pré-oxydé avec une certaine teneur en oxygène. En raison de la présence d'hétéroatomes d'oxygène, il est difficile pour le brai de former une structure ordonnée pendant le processus de pyrolyse et de carbonisation, ce qui donne un matériau carboné dur avec une microstructure relativement chaotique.
② Préparation du carbone dur à partir de la biomasse
La biomasse a un large éventail de sources, est verte et respectueuse de l'environnement, et possède de riches hétéroatomes et une microstructure unique, qui peuvent être utilisées comme précurseur pour la préparation de carbone dur. Certains chercheurs ont utilisé la peau de pamplemousse comme source de carbone pour préparer des matériaux carbonés durs. Leurs recherches suggèrent que les excellentes performances d’insertion du lithium de l’échantillon préparé sont étroitement liées à la structure poreuse unique du matériau. Cette structure aide le matériau à entrer entièrement en contact avec l'électrolyte, fournissant ainsi des canaux et davantage de sites d'insertion du lithium pour le transport du Li+ dans le matériau.
③ Préparation de carbone dur à partir de polymères organiques
Comparée à la biomasse, la structure moléculaire des polymères organiques est relativement simple et contrôlable. La structure moléculaire pertinente peut être conçue selon les besoins. C'est un excellent précurseur pour préparer du carbone dur. Certains chercheurs ont utilisé de la résine phénolique comme précurseur du carbone et ont obtenu des matériaux de carbone dur à base de résine par pyrolyse et carbonisation, et les ont utilisés comme matériaux d'électrode négative pour les batteries lithium-ion et comme matériaux d'électrode pour les supercondensateurs. La capacité de la batterie lithium-ion peut atteindre 526mAh·g-1. La première efficacité Coulombienne peut atteindre 80%.
Ce qui précède est une introduction aux caractéristiques du carbone dur et à sa préparation. Le carbone dur possède un grand nombre de structures microporeuses et une structure en couches avec un espacement intercouche plus grand que le graphite, ce qui permet aux ions lithium d'être rapidement désintercalés et offre d'excellentes performances de débit. Certains matériaux en carbone dur ont des performances de stockage du lithium plus élevées que les matériaux d'anode en graphite traditionnels. C’est pourquoi le carbone dur est également considéré comme un matériau d’anode prometteur. Avec les progrès de la technologie et des recherches approfondies, je pense que l'application de matériaux en carbone dur dans les anodes des batteries au lithium développera également son propre monde.
