通过控制膨胀实现煤的水解，以制备用于高性能钠离子储能的硬碳材料

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Swelling-controlled coal hydrolysis for high-performance sodium-ion storage hard carbon

　　

Ping Han|Yue Zhang|Xianmei Zhao|Yakun Tang|Wenhai Zhang|Limin Deng|Lang Liu|Chensong Yang|Yuliang Cao

摘要

煤炭因其丰富的储量、低廉的成本和高碳含量，成为钠离子电池（SIBs）阳极的理想硬碳前体。然而，其热塑性特性在高温碳化过程中会导致严重的石墨化现象，形成层间距狭窄的有序结构，这阻碍了钠离子的嵌入并限制了钠的储存能力。预氧化可以引入氧官能团（OFGs）以抑制石墨化，但不可避免地会导致嵌入煤炭中的高附加值有机分子（HVOMs）的不可逆损失，从而降低资源利用效率。因此，开发一种既能抑制石墨化又能提取和利用HVOMs的策略仍然是一个关键挑战。在此，我们提出了一种溶剂膨胀（SS）控制的碱性水解方法来调节煤炭的水解行为。与传统预氧化方法不同，该策略同时实现了两个目标：首先，它能够有效地从煤炭内部提取HVOMs，实现煤炭的高附加值利用；其次，通过增强暴露的酯键和醚键的水解，促进氧官能团的引入。使用乙醇和水组成的双溶剂系统预处理的电极表现出高达321.6 mAh g^-1的可逆容量和83.4%的初始库仑效率。双溶剂系统的协同效应对于实现这一高性能至关重要。乙醇能够渗透到煤炭网络中，提取小分子有机物质并创建扩散通道，而水则有助于从内到外均匀地进行碱性水解。这一过程促进了大量氧官能团的生成，使得煤炭分子在碳化过程中能够充分交联，从而有效抑制熔融重排和石墨化。最终形成的微结构包含伪石墨化区域和封闭孔隙，使得电池的稳定容量达到212.7 mAh g^-1，约为未经处理的硬碳（143 mAh g^-1）的两倍。封闭孔隙为钠簇的形成提供了额外的空间，而扩大的层间距则促进了钠离子的传输。总之，所提出的SS控制的碱性水解方法为将低成本煤炭转化为先进的硬碳阳极提供了一种可扩展且经济高效的方法。该方法解决了煤炭基碳材料中石墨化的问题，并实现了HVOMs的回收，从而促进了煤炭资源的利用。双溶剂设计为精确调控煤炭基碳的微结构提供了新途径，适用于先进的储能应用。这一策略凸显了煤炭作为可持续电池材料的高价值原料的潜力，具有经济和环境双重效益。