Твердый углерод относится к труднографитизируемому углероду, который представляет собой разновидность пиролитического углерода, получаемого пиролизом высокомолекулярных полимеров, продуктов нефтехимии, биомассы и т. д. Благодаря наличию в прекурсоре большого количества гетероатомов H, O, N и других , образование кристаллических областей при термообработке затруднено, что затрудняет графитизацию при высоких температурах выше 2500°С.
В зависимости от температуры пиролитической карбонизации твердые углеродные материалы можно разделить на высокотемпературный пиролитический углерод (1000-1400°C) и низкотемпературный пиролитический углерод (500-1000°C). В зависимости от различных источников углерода его можно разделить на углерод из смолы (например, фенольной смолы, эпоксидной смолы, смолы на основе полифурфурилового спирта и т. д.), органического полимерного углерода (например, ПВС, ПВХ, ПВДФ, ПАН и т. д.), технического углерода. (ацетиленовая сажа, полученная методом CVD) и т. д.), углерод биомассы (например, растительные остатки и скорлупа и т. д.) и т. д.
Твердый углерод способствует внедрению лития, не вызывая значительного расширения структуры, и имеет хорошие характеристики цикла зарядки и разрядки. Твердый углерод, используемый в качестве анода для литий-ионных батарей, в основном получают из таких прекурсоров, как смола, биомасса и смола.
Прекурсорами для получения твердого углерода являются асфальт, биомасса, сахар, фенольная смола, органические полимеры и т. д. Твердые углеродные материалы, полученные из разных веществ, имеют схожие кривые заряда и разряда.
① Получение твердого углерода из пека
Прекурсор на основе пека является лучшим предшественником для получения твердого углерода из-за высокого содержания углеродистого остатка, широкого источника сырья и низкой цены. Однако получение твердого углерода из пека требует предварительной обработки, поскольку пек склонен к графитизации с образованием графитоподобной структуры в процессе карбонизации. При предварительной обработке асфальта обычно используется сшивающий агент для сшивания асфальта, изменения его микроструктуры, предотвращения роста кристаллов графита во время процесса пиролизной карбонизации и выполнения процесса твердофазной карбонизации для получения твердых углеродных материалов; Другой метод приготовления асфальта представляет собой метод предварительного окисления, при котором для предварительного окисления асфальта используются окислители с целью получения предварительно окисленного асфальта с определенным содержанием кислорода. Из-за присутствия гетероатомов кислорода пеку трудно сформировать упорядоченную структуру в процессе пиролиза и карбонизации, в результате чего получается твердый углеродный материал с относительно хаотичной микроструктурой.
② Получение твердого углерода из биомассы
Биомасса имеет широкий спектр источников, является экологически чистой и экологически чистой, имеет богатое количество гетероатомов и уникальную микроструктуру, которую можно использовать в качестве прекурсора для получения твердого углерода. Некоторые исследователи использовали кожуру грейпфрута в качестве источника углерода для приготовления твердых углеродных материалов. Их исследования показывают, что отличные характеристики внедрения лития в подготовленный образец тесно связаны с уникальной пористой структурой материала. Эта структура помогает материалу полностью контактировать с электролитом, обеспечивая каналы и дополнительные места внедрения лития для транспорта Li+ внутри материала.
③ Получение твердого углерода из органических полимеров.
По сравнению с биомассой молекулярная структура органических полимеров относительно проста и контролируема. Соответствующая молекулярная структура может быть спроектирована по мере необходимости. Это отличный предшественник для получения твердого углерода. Некоторые исследователи использовали фенольную смолу в качестве предшественника углерода и получали твердые углеродные материалы на основе смол путем пиролиза и карбонизации, а также использовали их в качестве материалов отрицательных электродов для литий-ионных батарей и электродных материалов для суперконденсаторов. Емкость литий-ионного аккумулятора может достигать 526 мАч·г-1. Первый кулоновский КПД может достигать 80%.
Вышеупомянутое представляет собой введение в характеристики твердого углерода и его получения. Твердый углерод имеет большое количество микропористых структур и слоистую структуру с большим межслоевым расстоянием, чем графит, что позволяет ионам лития быстро деинтеркалироваться и имеет превосходные показатели скорости. Некоторые твердые углеродные материалы обладают более высокими характеристиками хранения лития, чем традиционные графитовые анодные материалы. Поэтому твердый углерод также рассматривается как перспективный анодный материал. Я считаю, что с развитием технологий и углубленными исследованиями применение твердых углеродных материалов в анодах литиевых батарей также приведет к развитию своего собственного мира.