Il carbonio duro si riferisce al carbonio difficile da grafitizzare, che è un tipo di carbonio pirolitico ottenuto dalla pirolisi di polimeri ad alto peso molecolare, prodotti petrolchimici, biomassa, ecc. A causa della presenza di un gran numero di H, O, N e altri eteroatomi nel precursore , viene ostacolata la formazione di regioni cristalline durante il trattamento termico, rendendo difficile la grafitizzazione a temperature elevate superiori a 2500°C.
In base alle diverse temperature di carbonizzazione pirolitica, i materiali di carbonio duro possono essere suddivisi in carbonio pirolitico ad alta temperatura tra 1000-1400°C e carbonio pirolitico a bassa temperatura tra 500-1000°C. In base alle diverse fonti di carbonio, può essere suddiviso in carbonio resina (come resina fenolica, resina epossidica, resina di alcol polifurfurilico, ecc.), carbonio polimerico organico (come PVA, PVC, PVDF, PAN, ecc.), nerofumo (nero di acetilene preparato con il metodo CVD) ecc.), carbonio della biomassa (come residui e gusci vegetali, ecc.), ecc.
Il carbonio duro favorisce l'inserimento del litio senza causare un'espansione significativa della struttura e ha buone prestazioni del ciclo di carica e scarica. Il carbonio duro utilizzato come anodo per le batterie agli ioni di litio è preparato principalmente da precursori come la pece, la biomassa e la resina.
I precursori per la preparazione del carbonio duro includono asfalto, biomassa, zucchero, resina fenolica, polimeri organici, ecc. I materiali di carbonio duro preparati con sostanze diverse mostrano curve di carica e scarica simili.
① Preparazione del carbonio duro dalla pece
Il precursore a base di pece è un precursore migliore per la preparazione del carbonio duro grazie al suo elevato tasso di residui di carbonio, all'ampia fonte di materie prime e al basso prezzo. Tuttavia, la preparazione del carbonio duro dalla pece richiede un pretrattamento, poiché la pece è soggetta a grafitizzazione per formare una struttura simile alla grafite durante il processo di carbonizzazione. Il pretrattamento dell'asfalto utilizza solitamente un agente reticolante per reticolare l'asfalto, modificandone la microstruttura, ostacolando la crescita dei cristalli di grafite durante il processo di carbonizzazione pirolisi ed eseguendo un processo di carbonizzazione in fase solida per ottenere materiali di carbonio duro; un altro Il metodo di preparazione dell'asfalto è il metodo di preossidazione, che utilizza ossidanti per preossidare l'asfalto per ottenere asfalto preossidato con un certo contenuto di ossigeno. A causa della presenza di eteroatomi di ossigeno, è difficile per la pece formare una struttura ordinata durante il processo di pirolisi e carbonizzazione, risultando in un materiale di carbonio duro con una microstruttura relativamente caotica.
② Preparazione del carbonio duro da biomassa
La biomassa ha una vasta gamma di fonti, è ecologica ed ecologica e presenta ricchi eteroatomi e una microstruttura unica, che può essere utilizzata come precursore per la preparazione del carbonio duro. Alcuni ricercatori hanno utilizzato la buccia di pompelmo come fonte di carbonio per preparare materiali a base di carbonio duro. La loro ricerca ritiene che le eccellenti prestazioni di inserimento del litio del campione preparato siano strettamente correlate alla struttura unica dei pori del materiale. Questa struttura aiuta il materiale a entrare completamente in contatto con l'elettrolita, fornendo canali e più siti di inserimento del litio per il trasporto del Li+ all'interno del materiale.
③ Preparazione del carbonio duro da polimeri organici
Rispetto alla biomassa, la struttura molecolare dei polimeri organici è relativamente semplice e controllabile. La struttura molecolare rilevante può essere progettata secondo necessità. È un ottimo precursore per la preparazione del carbonio duro. Alcuni ricercatori hanno utilizzato la resina fenolica come precursore del carbonio e hanno ottenuto materiali di carbonio duro a base di resina attraverso pirolisi e carbonizzazione e li hanno utilizzati come materiali per elettrodi negativi per batterie agli ioni di litio e materiali per elettrodi per supercondensatori. La capacità della batteria agli ioni di litio può raggiungere 526 mAh·g- 1. La prima efficienza Coulomb può raggiungere 80%.
Quanto sopra è un'introduzione alle caratteristiche del carbonio duro e alla sua preparazione. Il carbonio duro ha un gran numero di strutture microporose e una struttura a strati con una spaziatura tra gli strati maggiore rispetto alla grafite, che consente agli ioni di litio di essere rapidamente deiintercalati e ha eccellenti prestazioni di velocità. Alcuni materiali in carbonio duro hanno prestazioni di stoccaggio del litio più elevate rispetto ai tradizionali materiali anodici in grafite. Pertanto, anche il carbonio duro è considerato un materiale anodico promettente. Con il progresso della tecnologia e la ricerca approfondita, credo che anche l'applicazione di materiali in carbonio duro negli anodi delle batterie al litio svilupperà un proprio mondo.
