用淀粉做电池——硬炭材料让钠离子电池性能更高

你能想象吗？通过化学反应，淀粉或许可以成为电池的一部分。近日，中国科学院山西煤化所陈成猛研究员带领的科研团队，利用酯化改性后的淀粉，通过低温氢气还原和高温碳化反应制备了钠离子电池负极材料——硬炭，相关论文在《Energy Storage Materials》上发表。

淀粉竟然可以被用来制造充电电池的电极材料？这个富有创造力的新奇想法正在被中国科学家们提出和验证。

当下，锂离子电池几乎充斥了可充电电池市场。而我国目前用于制备锂离子电池的锂资源主要依赖于进口，成本较高。与之相比，钠资源分布广泛，成本低，且钠离子电池高低温性能优异，安全性也更加稳定，因此钠离子电池体系不断得到关注。

陈成猛介绍，随着钠离子电池体系的不断完善以及学术界和产业界的积极互动，钠离子电池有望在新能源汽车、大规模储能以及储能电网等多个领域中得到应用，是一种很有市场前景的新技术。然而，科研人员发现钠离子电池在实际应用中存在一定阻碍，其中硬炭首次库伦效率较低是主要原因之一。因此需要研发储钠效率更高且廉价稳定的负极材料。

在研究过程中，科研人员发现硬炭材料的性能不仅与制备方式有关，而且很大程度上取决于所用前驱体的性质。制备硬炭的前驱体一般具有热固性的树脂、聚合物以及生物质等。除碳以外，氧是众多前驱体中存在最多的元素，并且在高温热解及炭化过程中不断释放。因此前驱体中氧含量的多少将会影响其热解过程以及最终炭材料的微观结构。

根据这一设想，中科院山西煤化所陈成猛研究员带领的科研团队，利用低温氢气还原策略对酯化淀粉原料进行预处理，通过改变反应温度来调节反应产物前驱体中氧元素含量。随后，又对不同样品进一步高温炭化，制备了硬炭材料，也就是通过氧元素含量的变化实现了对最终产物——硬炭的微观结构调控。为研究不同的氢气还原反应温度对最终材料结构的影响，科研人员选择了多个还原温度展开试验，有力证实了氧元素含量对硬炭材料性能的影响。

该项实验从原材料淀粉到最终硬碳产物的流程可大致分为三步骤：首先利用玉米淀粉和马来酸酐制备酯化淀粉；然后在反应炉中通入氢气与氩气的混合气体（两种气体的通入速率比为 1：5），与酯化淀粉进行氢气还原反应，反应产物淀粉用作最终产物的前驱体；最后再用氩气作为保护气，对淀粉前驱体在 1100℃ 下进行高温碳化反应，完成硬碳材料的制备。

“近年来，钠离子电池因其生产成本低、安全性能高等优势，引起了学术界和工业界的广泛关注以及战略布局。”陈成猛表示，作为该类电池的电极材料，硬炭因其结构特征和优势更适合于存储半径较大的钠离子，并且具有成本低、绿色可持续性等优点，未来以硬炭作为负极的钠离子电池有望走出实验室进入人们的生活。“结合钠离子电池的成本和能量密度，其在低速汽车、大规模储能以及智能电网等领域具有广阔的应用前景。”陈成猛说。

据悉，目前的研究成果对于后续进行高性能硬炭材料的开发奠定了很好的基础。下一步科研团队还会从原材料出发，构建该材料的结构模型并搭建相应的数据库，并针对特定应用场景进行硬炭材料的开发，例如高功率、超低温以及高温等。

第二期·END

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本文来源：中国科技网

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