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通過化學反應，淀粉被用來制備了一種鈉離子電池負極材料——硬炭。近日，中科院山西煤化所陳成猛研究員帶領的科研團隊，正是利用酯化改性后的淀粉，通過低溫氫氣還原和高溫炭化反應制備了鈉離子電池負極材料，相關論文已在權威雜志上發表。
當下，市場上可充電的電池主要是鋰離子電池，占據著八成以上的市場份額。但是，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異，安全性也更加穩定。隨著鈉離子電池體系的不斷完善以及學術界和產業界的積極互動，有望推動鈉離子電池在新能源汽車、大規模儲能以及儲能電網等多個領域中應用，是一種很有市場前景的新技術。
一直以來，科研人員發現，硬炭首次庫倫效率較低是阻礙其在鈉離子電池中實際應用的主要原因。因此研發儲鈉效率更高且廉價穩定的負極材料，是急需突破的關鍵核心技術。值得注意的是，硬炭材料的性能不僅與制備方式有關，而且很大程度上取決于所用前驅體的性質。制備硬炭的前驅體一般具有熱固性的樹脂、聚合物以及生物質等。除碳以外，氧是眾多前驅體中存在最多的元素，并且在高溫熱解及炭化過程中不斷釋放。因此前驅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構。
根據這一設想，中科院山西煤化所陳成猛研究員帶領的科研團隊，利用低溫氫氣還原策略對酯化淀粉原料進行預處理，通過改變反應溫度來調節反應產物前驅體中氧元素含量。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了對最終產物——硬炭的微觀結構調控。
為研究不同的氫氣還原反應溫度對最終材料結構的影響，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成本低、安全性能高等優勢，引起了學術界和工業界的廣泛關注以及戰略布局。”陳成猛研究員進一步介紹說，作為該類電池的電極材料，硬炭因其結構特征和優勢更適合于存儲半徑較大的鈉離子，并且具有成本低、綠色可持續性等優點，應用前景廣闊。
目前的研究成果對于后續進行高性能硬炭材料的開發奠定了很好的基礎，下一步科研團隊還會從原材料出發，構建該材料的結構模型并搭建相應的數據庫，并針對特定應用場景進行硬炭材料的開發，例如高功率、超低溫以及高溫等。
除了電極材料本身外，團隊也將持續關注鈉離子電池的電解液、隔膜等與硬炭材料匹配性方面的研究。
“我們相信以硬炭作為負極的鈉離子電池將會走出實驗室進入人們的生活。結合鈉離子的電池的成本和能量密度，其在低速汽車、大規模儲能以及智能電網等領域具有廣闊的應用前景。”陳成猛說。
記者 郜 蓉 通訊員 謝莉婧 郭曉倩
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