硬碳作为最具发展潜力的钠离子电池负极材料备受研究人员关注，然而碳前躯体低产率和SEI膜的形成造成其高昂的价格和较低的首次库伦效率，从而限制了应用发展。
为解决上述问题，近日，中科院物理所清洁能源实验室的黄学杰课题组利用简单的碳化方法将资源丰富且废弃的玉米棒生物质转变为硬碳材料，并作为钠离子电池的负极材料，实现了低成本和高首次库伦效率。
图1 HCC制备示意图及SEM图像
图2 HCC-1000，HCC-1300，HCC-1600的高分辨率透射电镜图像
该硬碳材料(HCC)的制备工艺相当简单——仅仅一步高温碳化即可(热处理温度为1000℃、1300℃、1600℃，命名为HCC-1000，HCC-1300，HCC-1600，)，碳产率在21%左右，产物硬碳为不规则颗粒形态，尺寸分布在5-10μm之间。
该硬碳为无序碳，拥有高度无序结构，且孔隙率很低，比表面积很小(以HCC-1300为例，比表面积仅为3.7m2/g)，限制了SEI膜的形成，与材料较高的首次库伦效率密切相关。
图3 半电池的电化学性能
组装半电池测试，可以发现不同碳化温度下的平台容量和斜坡容量均有所不同，温度越高，平台容量越高而斜坡容量越低，可见碳化温度对储钠性能和电化学行为有决定性影响。性能最好的HCC-1300可逆容量达298mAh/g(30mA/g的电流密度)，首次库伦效率为86%，循环性能稳定，倍率性能优异。
图4 全电池的电化学性能
此外，以HCC为负极，以Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2为正极组装全电池，实现了207Wh/kg的高能量密度，600mA/g的电流密度下比容量达220mAh/g，且循环稳定性良好。理想的性能、简单的制备过程、低廉的成本使得HCC成为有发展潜力的钠离子电池负极材料。
相关研究成果发表于JMCA DOI: 10.1039/c6ta04877c
Liu P, Li Y, Hu Y S, et al. A waste biomass derived hard carbonas a high-performance anode material for sodium-ion batteries[J]. Journal ofMaterials Chemistry A, 2016.