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你能想象嗎？通過化學(xué)反應(yīng)，淀粉或許可以成為電池的一部分。近日，中國科學(xué)院山西煤化所陳成猛研究員帶領(lǐng)的科研團隊，利用酯化改性后的淀粉，通過低溫氫氣還原和高溫碳化反應(yīng)制備了鈉離子電池負(fù)極材料——硬炭，相關(guān)論文在《Energy Storage Materials》上發(fā)表。

當(dāng)下，鋰離子電池幾乎充斥了可充電電池市場。而我國目前用于制備鋰離子電池的鋰資源主要依賴于進口，成本較高。與之相比，鈉資源分布廣泛，成本低，且鈉離子電池高低溫性能優(yōu)異，安全性也更加穩(wěn)定，因此鈉離子電池體系不斷得到關(guān)注。

陳成猛介紹，隨著鈉離子電池體系的不斷完善以及學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的積極互動，鈉離子電池有望在新能源汽車、大規(guī)模儲能以及儲能電網(wǎng)等多個領(lǐng)域中得到應(yīng)用，是一種很有市場前景的新技術(shù)。然而，科研人員發(fā)現(xiàn)鈉離子電池在實際應(yīng)用中存在一定阻礙，其中硬炭首次庫倫效率較低是主要原因之一。因此需要研發(fā)儲鈉效率更高且廉價穩(wěn)定的負(fù)極材料。

在研究過程中，科研人員發(fā)現(xiàn)硬炭材料的性能不僅與制備方式有關(guān)，而且很大程度上取決于所用前驅(qū)體的性質(zhì)。制備硬炭的前驅(qū)體一般具有熱固性的樹脂、聚合物以及生物質(zhì)等。除碳以外，氧是眾多前驅(qū)體中存在最多的元素，并且在高溫?zé)峤饧疤炕^程中不斷釋放。因此前驅(qū)體中氧含量的多少將會影響其熱解過程以及最終炭材料的微觀結(jié)構(gòu)。

根據(jù)這一設(shè)想，中科院山西煤化所陳成猛研究員帶領(lǐng)的科研團隊，利用低溫氫氣還原策略對酯化淀粉原料進行預(yù)處理，通過改變反應(yīng)溫度來調(diào)節(jié)反應(yīng)產(chǎn)物前驅(qū)體中氧元素含量。隨后，又對不同樣品進一步高溫炭化，制備了硬炭材料，也就是通過氧元素含量的變化實現(xiàn)了對最終產(chǎn)物——硬炭的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控。為研究不同的氫氣還原反應(yīng)溫度對最終材料結(jié)構(gòu)的影響，科研人員選擇了多個還原溫度展開試驗，有力證實了氧元素含量對硬炭材料性能的影響。

“近年來，鈉離子電池因其生產(chǎn)成本低、安全性能高等優(yōu)勢，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注以及戰(zhàn)略布局。”陳成猛表示，作為該類電池的電極材料，硬炭因其結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)勢更適合于存儲半徑較大的鈉離子，并且具有成本低、綠色可持續(xù)性等優(yōu)點，未來以硬炭作為負(fù)極的鈉離子電池有望走出實驗室進入人們的生活。“結(jié)合鈉離子電池的成本和能量密度，其在低速汽車、大規(guī)模儲能以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。”陳成猛說。

據(jù)悉，目前的研究成果對于后續(xù)進行高性能硬炭材料的開發(fā)奠定了很好的基礎(chǔ)。下一步科研團隊還會從原材料出發(fā)，構(gòu)建該材料的結(jié)構(gòu)模型并搭建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并針對特定應(yīng)用場景進行硬炭材料的開發(fā)，例如高功率、超低溫以及高溫等。

原標(biāo)題：用淀粉做電池 硬炭材料讓鈉離子電池性能更高