ハードカーボンとは、高分子ポリマー、石油化学製品、バイオマスなどを熱分解して得られる熱分解炭素の一種で、前駆体中にH、O、Nなどのヘテロ原子が多く存在するため、難黒鉛化炭素のことを指します。 、熱処理中の結晶領域の形成が妨げられ、2500℃を超える高温で黒鉛化することが困難になります。
異なる熱分解炭化温度に応じて、ハードカーボン材料は1000〜1400℃の高温熱分解カーボンと500〜1000℃の低温熱分解カーボンに分類できます。さまざまな炭素源に応じて、樹脂カーボン（フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリフルフリルアルコール樹脂など）、有機ポリマーカーボン（PVA、PVC、PVDF、PANなど）、カーボンブラックに分けることができます。 （CVD法によるアセチレンブラックなど）、バイオマスカーボン（植物残渣や貝殻など）など
ハードカーボンは、構造の大幅な膨張を引き起こすことなくリチウムの挿入に役立ち、良好な充放電サイクル性能を備えています。リチウムイオン電池の負極として使用されるハードカーボンは、主にピッチ系、バイオマス系、樹脂系などの前駆体から製造されます。
ハードカーボンを製造するための前駆体には、アスファルト、バイオマス、砂糖、フェノール樹脂、有機ポリマーなどが含まれます。異なる物質から製造されたハードカーボン材料は、同様の充電および放電曲線を示します。
①ピッチからハードカーボンを製造
ピッチベースの前駆体は、炭素残留率が高く、原料の供給源が広く、価格が低いため、ハードカーボンの調製に適した前駆体です。ただし、ピッチは炭化プロセス中に黒鉛化して黒鉛状の構造を形成する傾向があるため、ピッチからハードカーボンを製造するには前処理が必要です。アスファルトの前処理では、通常、架橋剤を使用してアスファルトを架橋し、その微細構造を変化させ、熱分解炭化プロセス中の黒鉛結晶の成長を妨げ、固相炭化プロセスを実行して硬質炭素材料を取得します。別の アスファルトを調製する方法は、前酸化法であり、酸化剤を使用してアスファルトを前酸化し、一定の酸素含有量を有する前酸化アスファルトを得る。酸素ヘテロ原子が存在するため、ピッチは熱分解および炭化プロセス中に規則正しい構造を形成することが難しく、その結果、比較的混沌とした微細構造を有する硬質炭素材料が生成されます。
②バイオマスからのハードカーボンの調製
バイオマスには幅広い供給源があり、グリーンで環境に優しく、豊富なヘテロ原子と独特の微細構造を備えており、ハードカーボン製造の前駆体として使用できます。研究者の中には、硬質炭素材料を調製するための炭素源としてグレープフルーツの皮を使用した人もいます。彼らの研究では、調製されたサンプルの優れたリチウム挿入性能は、材料の独特な細孔構造と密接に関連していると考えられています。この構造は、材料が電解質と完全に接触するのに役立ち、材料内に Li+ 輸送のためのチャネルとより多くのリチウム挿入サイトを提供します。
③有機高分子からのハードカーボンの調製
有機高分子はバイオマスに比べて分子構造が比較的単純で制御可能です。関連する分子構造は必要に応じて設計できます。ハードカーボンを製造するための優れた前駆体です。一部の研究者はフェノール樹脂を炭素前駆体として使用し、熱分解と炭化により樹脂ベースのハードカーボン材料を得て、リチウムイオン電池の負極材料やスーパーキャパシタの電極材料として使用しました。リチウムイオン電池の容量は526mAh・g-1に達します。最初のクーロン効率は80%に達します。
以上、ハードカーボンの特徴とその作り方についてご紹介しました。ハードカーボンは、グラファイトに比べて微細孔構造が多く、層間距離が広い層状構造となっているため、リチウムイオンの脱離が早く、レート性能に優れています。一部のハードカーボン材料は、従来のグラファイトアノード材料よりも高いリチウム貯蔵性能を備えています。したがって、ハードカーボンも負極材料として有望視されている。技術の進歩と徹底した研究により、リチウム電池の負極へのハードカーボン材料の応用も独自の世界を発展させると私は信じています。
