酚醛樹(shù)脂多孔碳

酚醛樹(shù)脂基多孔納米硬碳

樹(shù)脂基多孔碳負(fù)極材料

酚醛樹(shù)脂硬碳材料

酚醛樹(shù)脂熱解碳

樹(shù)脂基硬碳負(fù)極材料

1、什么是硬碳 硬碳是指難石墨化碳，是一種通過(guò)熱解高分子聚合物、石油化工產(chǎn)品、生物質(zhì)等得到的熱解碳。由于前驅(qū)體中存在大量H、O、N等雜原子，阻礙了熱處理過(guò)程中結(jié)晶區(qū)域的形成，導(dǎo)致在2500℃以上的高溫下也很難石墨化。 

 根據(jù)熱解碳化溫度的不同，硬碳材料可以分為1000-1400℃之間的高溫?zé)峤馓己?00-1000℃的低溫?zé)峤馓肌８鶕?jù)碳源的不同可以分為樹(shù)脂碳（如酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚糠醇樹(shù)脂等）、有機(jī)聚合物碳（如PVA、PVC、PVDF、PAN等）、炭黑（CVD法制備的乙炔黑等）、生物質(zhì)碳（如如植物殘?jiān)屯鈿さ龋┑取?nbsp;

 硬碳有利于鋰的嵌入而不會(huì)引起結(jié)構(gòu)顯著膨脹，具有很好的充放電循環(huán)性能。用作鋰離子電池負(fù)極的硬碳主要采用瀝青基、生物質(zhì)基、樹(shù)脂基等前驅(qū)體制備。 

 2、硬碳有什么特點(diǎn) 

 硬碳在熱解過(guò)程中，碳層有平面生長(zhǎng)的趨勢(shì)，但大分子中的交聯(lián)結(jié)構(gòu)阻礙其平面方向生長(zhǎng)，因此，硬碳中的碳層不能無(wú)限延伸生長(zhǎng)為類似石墨的片層結(jié)構(gòu)，只能在短程中出現(xiàn)碳層堆疊結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)程則呈無(wú)序狀態(tài)。硬碳結(jié)構(gòu)以無(wú)定形部分為主，由于部分碳層無(wú)序堆積，出現(xiàn)缺陷和孔洞，而另一部分碳層呈石墨微晶結(jié)構(gòu)，這些石墨微晶沒(méi)有取向，相互交聯(lián)。有研究者認(rèn)為，前驅(qū)體的分子量對(duì)熱解后形成硬碳的微觀結(jié)構(gòu)有影響，隨著分子量的增加，硬碳的石墨化程度逐漸變高，比表面積逐漸增大。 

 硬炭結(jié)構(gòu)示意圖 

 硬碳相對(duì)于石墨層間距大，微孔多，對(duì)應(yīng)地鋰離子嵌入脫出儲(chǔ)鋰活性位點(diǎn)多，具有更大的比容量。而且硬碳與PC電解液相容性更好，更適合低溫下工作。

另外，硬碳也具有大倍率充放電性能好，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 

 目前硬碳的儲(chǔ)鋰機(jī)制并沒(méi)有統(tǒng)一結(jié)論。有研究者提出了一種“紙牌屋”的結(jié)構(gòu)模型來(lái)解釋硬碳具有較高嵌鋰容量的原因。研究人員利用環(huán)氧樹(shù)脂作為碳源，鄰苯作為固化劑，通過(guò)控制熱解處理?xiàng)l件，得到了一系列的硬碳材料。根據(jù)X射線衍射技術(shù)和電化學(xué)測(cè)試表征結(jié)果，研究者認(rèn)為硬碳材料中含有許多由單層石墨烯片圍成的納米微孔，其孔徑僅有1.5nm左右，這些單層的石墨烯片組成了像紙牌屋的構(gòu)型，Li+吸附在這些單層石墨烯片的表面，并可以在其中可逆地進(jìn)出，隨著單層石墨烯片的增加，其嵌鋰容量也會(huì)隨之增大。還有研究者通過(guò)HX-PES分析研究硬碳儲(chǔ)鋰機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，碳層間及微孔中均有鋰存在。當(dāng)電荷狀態(tài)(SOC<70%)，鋰離子插入碳層間；當(dāng)電荷狀態(tài)(SOC>50%)，鋰粒子簇進(jìn)入微孔中，呈半金屬態(tài)。微孔尺寸不一樣，粒子簇尺寸也不均一。 

 雖然硬碳的特殊結(jié)構(gòu)使其容量高，倍率性能好，但也存在一些缺點(diǎn)，如首周庫(kù)倫效率低，振實(shí)密度低和電壓極化嚴(yán)重。