中國粉體網(wǎng)訊 炭材料是儲能電池的主要負極材料之一，可分為石墨類材料和無定形炭等，具有結(jié)構(gòu)多樣、資源豐富、成本低廉和環(huán)境友好等優(yōu)點。
石墨分為人造石墨和天然石墨。
天然石墨具有儲量大、成本低、安全無毒等優(yōu)點。但天然石墨的顆粒外表面反應活性不均勻，晶粒粒度較大，在充放電過程中表面晶體結(jié)構(gòu)容易被破壞，存在表面SEI膜覆蓋不均勻，導致初始庫侖效率低、倍率性能不好等缺點。
人造石墨是以無煙煤、焦炭或石油焦為原料，按照一定的比例加入煤焦油和瀝青，進行擠壓后，隔絕空氣高溫煅燒所得。其中煤系針狀焦、石油系針狀焦以及石油焦應用最廣。石油焦是石油渣油、石油瀝青經(jīng)焦化后得到的可燃固體產(chǎn)物，是人造石墨的主要原材料，按其熱處理溫度的不同分為生焦和煅燒焦；針狀焦是一種具有明顯纖維狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)焦炭，在平行于顆粒長軸方向上具有導電導熱性能好，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點且易于石墨化；瀝青是煤焦油深加工的主要產(chǎn)品之一，在石墨生產(chǎn)過程中中作為粘結(jié)劑和浸漬劑使用。
無定形炭，包括軟炭和硬炭，前驅(qū)體來源廣泛、成本低廉，具有可持續(xù)發(fā)展的潛力，展現(xiàn)了出眾的實用化優(yōu)勢。
制備硬炭材料的前驅(qū)體常見的有生物質(zhì)、合成聚合物和化石燃料等，不同前驅(qū)體制備的硬炭材料具有顯著的性能差異，由于前驅(qū)體原料來源不同，硬炭材料成本構(gòu)成也有顯著差別。其中，生物質(zhì)的原材料來源廣泛，如椰殼、果殼、柚子皮、動植物組織等，成本相對較低，成為當前制備硬炭材料的首選。合成聚合物主要包括酚醛樹脂、聚丙烯腈等化學合成材料，其電化學性能好、原料可控、產(chǎn)品一致性好，但成本較高�；剂现饕r青、煤焦油及相關混合物，原料來 源廣泛成本低，但產(chǎn)品容量較低，由于瀝青等含有的揮發(fā)性物質(zhì)較多，在生產(chǎn)過程中需要進行額外的廢氣、廢水處理，因此增加了生產(chǎn)成本。
制備軟炭材料的前驅(qū)體主要包括石油化工原料及其下游產(chǎn)品，如煤、瀝青、石油焦等。以石油焦制備的軟炭材料，其曲線呈斜坡狀，儲鈉比容量非常有限，所以需要開發(fā)其他高性能的軟炭材料應用于鈉離子電池。為了提升軟炭的可逆儲鈉容量，可以對軟炭的微觀結(jié)構(gòu)進行修飾，例如擴大石墨微晶層間距或者構(gòu)造微孔結(jié)構(gòu)，從而有效抑制體積變化，還可以為Na+擴散提供路徑，提高倍率性能與庫倫效率。
多孔炭按照孔徑大小可分為三種類型，微孔（孔徑小于2nm）炭、中孔（孔徑在2~50nm之間）炭和大孔（孔徑大于50nm）炭。多孔炭材料的制備方法和前驅(qū)體的選擇直接決定了其性能及使用范圍。在過去的幾十年里，人們在納米多孔炭的孔徑、表面化學和結(jié)構(gòu)等方面進行了大量的協(xié)同設計和調(diào)控。聚合物結(jié)構(gòu)豐富，通過炭化不同結(jié)構(gòu)的聚合物制備多孔炭材料是目前多孔炭材料的研究熱點之一。
針對各類負極材料的產(chǎn)業(yè)化技術與國內(nèi)外市場狀況，中國粉體網(wǎng)將于10月25-26日在東莞舉辦第二屆先進負極材料技術與產(chǎn)業(yè)高峰論壇。屆時，中國科學院山西煤炭化學研究所研究員蘇方遠將作題為《面向電化學儲能的炭材料技術開發(fā)及工程化》的報告。報告結(jié)合研究團隊在生物質(zhì)、煤、瀝青等前驅(qū)體制備各種電化學儲能炭材料方面的研究工作，闡述硬炭、軟炭、多孔炭、人造石墨等的研發(fā)進展及所面臨的科學及技術問題，展望儲能炭材料的發(fā)展方向。
專家簡介：
蘇方遠，博士生導師，研究員。主要從事儲能炭材料制備、構(gòu)效關系解析及器件服役行為研究工作。近5年來在Adv. Energy Mater.，ACS Energy Lett.，Energy Storage Mater.等刊物發(fā)表SCI論文20余篇，授權專利9項。主持及參與了包括國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院、山西省以及國際合作在內(nèi)的10余項科研項目，涉及超級電容器、鋰離子電池、鈉離子電極及鋰硫電池等。入選中國科學院青促會會員、中國科學院特聘研究崗位、山西省“三晉英才”優(yōu)秀青年人才、超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟青年理事、IEC工作組專家。
參考來源：
楊涵等. 面向?qū)嵱没拟c離子電池炭負極：進展及挑戰(zhàn)
吳權等. 鈉離子電池炭負極材料的研究進展
科技日報 | 硬炭負極材料成就儲能“新秀”？
先豐nano | 4類用于鋰電負極的新型炭納米材料
王九洲等. 三維多孔炭制備及在電容器中應用
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
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