Carbono duro refere-se ao carbono difícil de grafitizar, que é um tipo de carbono pirolítico obtido pela pirólise de polímeros de alto peso molecular, produtos petroquímicos, biomassa, etc. Devido à presença de um grande número de H, O, N e outros heteroátomos no precursor , a formação de regiões cristalinas durante o tratamento térmico é dificultada, dificultando a grafitização em altas temperaturas acima de 2500°C.
De acordo com as diferentes temperaturas de carbonização pirolítica, os materiais de carbono duro podem ser divididos em carbono pirolítico de alta temperatura entre 1000-1400°C e carbono pirolítico de baixa temperatura entre 500-1000°C. De acordo com diferentes fontes de carbono, pode ser dividido em carbono resinoso (como resina fenólica, resina epóxi, resina de álcool polifurfurílico, etc.), carbono polimérico orgânico (como PVA, PVC, PVDF, PAN, etc.), negro de fumo (negro de acetileno preparado pelo método CVD) etc.), carbono de biomassa (como resíduos de plantas e cascas, etc.), etc.
O carbono duro é propício à inserção de lítio sem causar expansão significativa da estrutura e possui bom desempenho no ciclo de carga e descarga. O carbono duro usado como ânodo para baterias de íons de lítio é preparado principalmente a partir de precursores como piche, biomassa e resina.
Os precursores para a preparação de carbono duro incluem asfalto, biomassa, açúcar, resina fenólica, polímeros orgânicos, etc. Materiais de carbono duro preparados a partir de diferentes substâncias apresentam curvas de carga e descarga semelhantes.
① Preparação de carbono duro a partir de piche
O precursor à base de piche é um melhor precursor para a preparação de carbono duro devido à sua alta taxa de resíduos de carbono, ampla fonte de matérias-primas e baixo preço. No entanto, a preparação de carbono duro a partir do piche requer pré-tratamento, porque o piche é propenso à grafitização para formar uma estrutura semelhante à grafite durante o processo de carbonização. O pré-tratamento do asfalto geralmente utiliza um agente de reticulação para reticular o asfalto, alterando sua microestrutura, dificultando o crescimento de cristais de grafite durante o processo de carbonização por pirólise e realizando um processo de carbonização em fase sólida para obter materiais de carbono duro; outro O método de preparação do asfalto é o método de pré-oxidação, que utiliza oxidantes para pré-oxidar o asfalto para obter asfalto pré-oxidado com determinado teor de oxigênio. Devido à presença de heteroátomos de oxigênio, é difícil para o piche formar uma estrutura ordenada durante o processo de pirólise e carbonização, resultando em um material de carbono duro com uma microestrutura relativamente caótica.
② Preparação de carbono duro a partir de biomassa
A biomassa possui uma ampla gama de fontes, é verde e ecologicamente correta, possui heteroátomos ricos e microestrutura única, que pode ser utilizada como precursor para a preparação de carbono duro. Alguns pesquisadores usaram casca de toranja como fonte de carbono para preparar materiais duros de carbono. Sua pesquisa acredita que o excelente desempenho de inserção de lítio da amostra preparada está intimamente relacionado à estrutura de poros única do material. Essa estrutura ajuda o material a entrar em contato total com o eletrólito, fornecendo canais e mais locais de inserção de lítio para o transporte de Li+ dentro do material.
③ Preparação de carbono duro a partir de polímeros orgânicos
Comparada com a biomassa, a estrutura molecular dos polímeros orgânicos é relativamente simples e controlável. A estrutura molecular relevante pode ser projetada conforme necessário. É um excelente precursor para a preparação de carbono duro. Alguns pesquisadores usaram resina fenólica como precursor de carbono e obtiveram materiais de carbono duro à base de resina por meio de pirólise e carbonização, e os usaram como materiais de eletrodo negativo para baterias de íons de lítio e materiais de eletrodo para supercapacitores. A capacidade da bateria de íons de lítio pode chegar a 526mAh·g-1. A primeira eficiência Coulomb pode chegar a 80%.
O texto acima é uma introdução às características do carbono duro e sua preparação. O carbono duro possui um grande número de estruturas microporosas e uma estrutura em camadas com um espaçamento entre camadas maior do que o grafite, o que permite que os íons de lítio sejam rapidamente desintercalados e tenha excelente desempenho de taxa. Alguns materiais de carbono duro têm maior desempenho de armazenamento de lítio do que os materiais tradicionais de ânodo de grafite. Portanto, o carbono duro também é considerado um material anódico promissor. Com o avanço da tecnologia e pesquisas aprofundadas, acredito que a aplicação de materiais de carbono duro em ânodos de baterias de lítio também desenvolverá seu próprio mundo.
