在新能源賽道上，鈉離子電池因原料豐富、成本低廉，在大規(guī)模儲能和低速電動車領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景，而硬炭作為其關(guān)鍵負極材料，其制備工藝直接影響電池性能。此外，煤液化瀝青具有碳含量高、來源穩(wěn)定、價格低廉等特點，其豐富的芳烴結(jié)構(gòu)和可調(diào)控的分子量分布，能夠形成具有優(yōu)異儲鈉性能的硬炭材料。
 

　　近日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所宋燕研究員團隊在煤液化瀝青組分的研究領(lǐng)域取得進展，以《Impact of pitch fraction oxidation on the structure and sodium storage properties of derived carbon materials》(瀝青餾分氧化對衍生炭材料結(jié)構(gòu)和儲鈉性能的影響)為題發(fā)表在《New Carbon Materials》期刊上。該論文創(chuàng)新性地通過溶劑分級萃取并結(jié)合氧化-炭化工藝，揭示了煤液化瀝青中甲苯可溶組分(TS)與甲苯不溶-吡啶可溶組分(TI-PS)在分子結(jié)構(gòu)、氧化活性及儲鈉性能方面的本質(zhì)差異，為瀝青的精細化研究及瀝青基硬碳負極材料的精準制備提供了科學(xué)依據(jù)。
 

　　煤瀝青的“分身術(shù)”：兩種組分的較量
 

　　煤液化瀝青是煤液化過程中的副產(chǎn)品，含有數(shù)百至數(shù)千種不同的多環(huán)芳烴分子。為了更精準地調(diào)控硬炭結(jié)構(gòu)，研究團隊采用溶劑萃取法，將瀝青分成兩部分：TS：分子量較小，富含脂肪側(cè)鏈，結(jié)構(gòu)更松散，像“活潑的年輕人”，容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)；TI-PS：分子量較大，芳香稠環(huán)更多，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，像“沉穩(wěn)的長者”，反應(yīng)活性較低。
 

瀝青餾分的結(jié)構(gòu)信息對比
 

　　氧化-炭化過程：TS為何更勝一籌？
 

　　在350 ℃的空氣氧化過程中，TS由于脂肪側(cè)鏈豐富，更容易與氧氣結(jié)合，形成大量交聯(lián)結(jié)構(gòu)(如C(O)-O鍵)，就像在分子間搭起“橋梁”，防止炭化時結(jié)構(gòu)有序堆疊。而TI-PS由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，氧化程度較低，炭化后更容易形成類似石墨的有序結(jié)構(gòu)，不利于鈉離子存儲。
 

　　經(jīng)過1000℃炭化后，TS衍生的硬炭(O-TS-1000)展現(xiàn)出更大的層間距和更無序的碳層排列，為鈉離子提供了更多嵌入空間和快速通道。相比之下，TI-PS衍生的硬炭(O-TI-PS-1000)層間距較小，結(jié)構(gòu)更接近石墨，鈉離子嵌入困難，導(dǎo)致容量較低。
 

衍生炭材料的結(jié)構(gòu)對比
 

　　行業(yè)影響：瀝青組分分離或成必經(jīng)之路
 

　　過去，硬炭制備往往直接使用全組分瀝青，但這項研究表明，TS組分更適合作為硬炭前驅(qū)體。未來，族組分分離可能成為瀝青基硬炭制備的必經(jīng)之路，從而提升硬炭性能。
 

　　這項研究為硬炭材料的原料選擇提供了重要參考，將幫助行業(yè)更精準地“定制”理想結(jié)構(gòu)，推動鈉離子電池技術(shù)走向成熟。