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Jute-Fiber Precursor-Derived Low-Cost Sustainable Hard Carbon with Varying Micro/Mesoporosity and Distinct Storage Mechanisms for Sodium-Ion and Potassium-Ion Batteries

碳化 阳极 多孔性 化学工程 碳纤维 材料科学 介孔材料 化学 电极 复合材料 有机化学 冶金 催化作用 扫描电子显微镜 物理化学 工程类 复合数
作者
Prakhar Verma,Sreeraj Puravankara
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:38 (50): 15703-15713 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.2c02575
摘要

Hard carbon (HC) remains the most viable choice as a negative electrode for sodium-ion batteries (SIBs) and potassium-ion batteries (PIBs) owing to its higher energy density (discharge up to zero volts), higher capacity (distinct storage mechanisms), and cycling stability. Herein, a biomass jute fiber precursor HC anode (JPC) with varying porosity is reported for the first time as a low-cost and sustainable high-performance HC anode for SIBs and PIBs. Direct carbonization results in micro-meso porous HC (JPC-D), and micro-wave pretreated jute fiber results in ultramicroporous HC (JPC-M). The mesoporosity generated in JPC-D during synthesis outperforms the ultramicroporous JPC-M with a high reversible capacity of 328 mAh g-1 (iCE = 66%) at a current density of 30 mA g-1 (0.1C) with superior capacity retention of 84% after 100 cycles in SIBs. The Na+ ion and K+ ion storage in HCs, especially at lower voltages, shows distinct storage mechanisms that depend on the morphology and porosity of the material. JPC-D contributed 39% of its total capacity through the plateau region capacity (PRC), suggesting more pore filling from hierarchical porosity in SIBs. JPC-D and JPC-M exhibit more insertion-based capacity than pore-filling processes in PIBs. The presence of inorganic impurities (Ca, Si, Al, and Fe) encapsulated in the carbon structure plays a critical role in developing mesopores. The yield (%) of HC from direct carbonization per kilogram of jute is ∼34%, which makes it cheaper than HC from sugar-based precursors and 1.5 times more affordable than other biomass-derived HC. The jute-based micro-mesoporous HC is a novel, cost-effective, sustainable approach to designing HC for a PRC-based battery-type anode in SIBs and PIBs.
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