Thermal shock reducing amorphous carbon ratio in hard carbon for improved rate capability of sodium ion storage

阳极 材料科学 碳纤维 无定形碳 无定形固体 化学工程 化学 复合材料 有机化学 电极 复合数 工程类 物理化学
作者
Hua Wang,Fei Sun,Yiwei Wang,Dongyang Wu,Jihui Gao,Jiajun Wang,Jianmin Gao
出处
期刊:Carbon [Elsevier]
卷期号:229: 119528-119528
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2024.119528
摘要

Coal stands poised to emerge as the primary material for sodium-ion battery anode fabrication, owing to its cost-effectiveness and carbon content. Unlike other feedstocks with well-defined structural formulae, coal-based carbon framework commonly presents a mixed state of high-graphitized crystalline and amorphous carbon structure, greatly hindering sodium-ion rapid transport. To overcome the rate bottleneck of coal-based carbon, herein, the thermal conversion pathway of coal is altered by rapid switching of heating and cooling states, thereby reducing amorphous carbon and high-graphitized crystalline in the obtained carbon structure and endowing sodium-ion storage with improved rate capability. Mechanistically, thermal shock accelerates amorphous carbon depolymerization, accompanied by rapid release of gas-phase products, thereby rearranging crystalline growth and promoting pore connectivity. The obtained carbon with optimized crystalline distribution and porosity connectivity alleviates the diffusion resistance of sodium-ions in hard carbon, enabling a greatly improved rate capability (achieving 161 mAh g−1 at a high rate of 2.0 C). Moreover, the fabricated full-cell exhibits an energy density of 236 Wh kg−1 comparable to commercial hard carbon systems, while reducing energy consumption for anode manufacturing by approximately 80 %. This work lays groundwork for regulating amorphous carbon in coal-based anodes and provides an energy-saving production strategy for high-performance hard carbons.
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