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酚醛树脂多孔碳

酚醛树脂基多孔纳米硬碳

树脂基多孔碳负极材料

酚醛树脂硬碳材料

酚醛树脂热解碳

树脂基硬碳负极材料

1、什么是硬碳 硬碳是指难石墨化碳，是一种通过热解高分子聚合物、石油化工产品、生物质等得到的热解碳。由于前驱体中存在大量H、O、N等杂原子，阻碍了热处理过程中结晶区域的形成，导致在2500℃以上的高温下也很难石墨化。 

 根据热解碳化温度的不同，硬碳材料可以分为1000-1400℃之间的高温热解碳和500-1000℃的低温热解碳。根据碳源的不同可以分为树脂碳（如酚醛树脂、环氧树脂、聚糠醇树脂等）、有机聚合物碳（如PVA、PVC、PVDF、PAN等）、炭黑（CVD法制备的乙炔黑等）、生物质碳（如如植物残渣和外壳等）等。 

 硬碳有利于锂的嵌入而不会引起结构显著膨胀，具有很好的充放电循环性能。用作锂离子电池负极的硬碳主要采用沥青基、生物质基、树脂基等前驱体制备。 

 2、硬碳有什么特点 

 硬碳在热解过程中，碳层有平面生长的趋势，但大分子中的交联结构阻碍其平面方向生长，因此，硬碳中的碳层不能无限延伸生长为类似石墨的片层结构，只能在短程中出现碳层堆叠结构，长程则呈无序状态。硬碳结构以无定形部分为主，由于部分碳层无序堆积，出现缺陷和孔洞，而另一部分碳层呈石墨微晶结构，这些石墨微晶没有取向，相互交联。有研究者认为，前驱体的分子量对热解后形成硬碳的微观结构有影响，随着分子量的增加，硬碳的石墨化程度逐渐变高，比表面积逐渐增大。 

 硬炭结构示意图 

 硬碳相对于石墨层间距大，微孔多，对应地锂离子嵌入脱出储锂活性位点多，具有更大的比容量。而且硬碳与PC电解液相容性更好，更适合低温下工作。

另外，硬碳也具有大倍率充放电性能好，循环寿命长等优点。 

 目前硬碳的储锂机制并没有统一结论。有研究者提出了一种“纸牌屋”的结构模型来解释硬碳具有较高嵌锂容量的原因。研究人员利用环氧树脂作为碳源，邻苯作为固化剂，通过控制热解处理条件，得到了一系列的硬碳材料。根据X射线衍射技术和电化学测试表征结果，研究者认为硬碳材料中含有许多由单层石墨烯片围成的纳米微孔，其孔径仅有1.5nm左右，这些单层的石墨烯片组成了像纸牌屋的构型，Li+吸附在这些单层石墨烯片的表面，并可以在其中可逆地进出，随着单层石墨烯片的增加，其嵌锂容量也会随之增大。还有研究者通过HX-PES分析研究硬碳储锂机制。

研究发现，碳层间及微孔中均有锂存在。当电荷状态(SOC<70%)，锂离子插入碳层间；当电荷状态(SOC>50%)，锂粒子簇进入微孔中，呈半金属态。微孔尺寸不一样，粒子簇尺寸也不均一。 

 虽然硬碳的特殊结构使其容量高，倍率性能好，但也存在一些缺点，如首周库伦效率低，振实密度低和电压极化严重。