煤基碳材料的制备及其在金属离子电池/电容器中的应用进展

武海煜 ,  安立宝 ,  张志明

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5) : 42 -48.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5) : 42-48. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.007
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煤基碳材料的制备及其在金属离子电池/电容器中的应用进展

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Preparation of coal-based carbon materials and progress on their applications in metal ion batteries/capacitors

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摘要

综述了不同维度煤基碳材料的制备过程以及煤基碳材料在金属离子电池和金属离子电容器中的应用现状,展望了煤基碳材料的未来发展趋势,以期为煤的高效、清洁利用及其在金属离子电池和金属离子电容器中的规模化应用提供参考。

Abstract

The preparation process for coal-based carbon materials is reviewed from different dimensions,and their application situation in metal ion batteries and metal ion capacitors is summarized.The development trend of coal-based carbon materials in the future is also prospected,aiming to provide reference for the efficient and clean utilization of coal,and its large-scale application in metal ion batteries and metal ion capacitors.

Graphical abstract

关键词

煤基碳材料 / 电化学储能 / 煤炭清洁高效利用 / 金属离子电池 / 金属离子电容器

Key words

coal-based carbon materials / electrochemical energy storage / clean and efficient utilization of coal / metal ion batteries / metal ion capacitors

Author summay

武海煜(1997-),男,硕士生。

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武海煜,安立宝,张志明. 煤基碳材料的制备及其在金属离子电池/电容器中的应用进展[J]. , 2025, 45(5): 42-48 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.007

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随着全球工业化的不断发展,当前世界对能源的需求不断增加。我国能源资源结构具有“缺油、少气、相对富煤”的特点,煤炭作为化石能源之一,对我国的能源供应起着支撑性的作用。然而,煤炭的大量燃烧会对环境造成严重污染,并导致全球气候变暖,而且,作为不可再生能源,过度使用会使其资源枯竭。为此,近年来对可再生能源(例如太阳能、潮汐能、风能和地热能等)的研究越来越多,并取得了显著进展,但这些能源具有随机性和间歇性等问题,需要通过储能设备来提高能源利用率。此外,尽管对可再生能源的应用在不断推进中,但目前化石能源在能源结构中仍占据主导地位。同时,随着我国“双碳”战略的实施,煤炭的清洁和高效利用成为重要的战略发展方向,实现由煤炭向碳材料的转化是其中一条新路径,这对推进绿色低碳发展和建设新型能源体系具有重要作用。
金属离子电池和金属离子电容器是2类重要的储能设备。金属离子电池,如锂、钠、钾、锌离子电池等,已广泛应用于商业领域,这些电池具有高能量密度、长使用寿命等优点,但同时存在安全性差、功率密度低等问题;金属离子电容器是一种新型的电化学储能设备,如锂、钠、钾、锌离子电容器等,它们由1个电池型电极、1个电容型电极、隔膜和含金属离子的电解质组成,集成了电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度、长循环使用寿命,是一种具有商业应用前景的先进储能设备。电极材料是决定这2种储能设备性能最关键的部件之一。目前,主要的电极材料有碳材料、过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物和聚阴离子化合物等。其中,碳材料因导电性高、化学稳定性好、比表面积大而得到了广泛应用。将煤炭转化为碳材料的煤基碳材料在电极材料中具有极大的应用潜能,可实现煤炭的高附加值及清洁化利用。本文中梳理了不同维度煤基碳材料的制备方法,并阐述了其在金属离子电池和金属离子电容器中的应用,为煤炭资源的转化利用和金属离子储能设备的研究发展提供系统化思路。

1 煤基碳材料的制备

煤炭是一种具有三维交联网络结构的材料,其天然的分子结构特性使得在碳材料的合成方面具有巨大优势。以煤或其衍生物为碳源可制备出各种碳材料,如按石墨化程度可分为石墨和无定形碳(硬碳和软碳),以及以不同维度划分的碳材料,如零维碳材料(碳点、碳纳米洋葱和纳米金刚石)、一维碳材料(碳纳米纤维和碳纳米管)、二维碳材料(碳纳米片和石墨烯)和三维碳材料(多孔碳和碳气凝胶)。

1.1 零维碳材料

零维碳材料有碳点、碳纳米洋葱和纳米金刚石等,它们的制备方法可分为“自上而下”和“自下而上”2类。前者采用超声、化学氧化和电化学刻蚀等方法将大尺寸本体材料进行剥离来获得零维碳材料[1]。这些制备方法能够实现材料的大规模制备,并且制备出的材料具有丰富的杂原子掺杂。后者将小分子有机物作为碳源,采用微波辅助和溶剂热等方法对小分子有机物进行脱水、熔融和炭化等处理来制备零维碳材料,这些制备方法操作简单且成本低。
Bi等[2]以煤为碳源,采用化学氧化法合成了碳点,这些碳点粒径均匀,含有丰富的含氧/氮官能团。Mandal等[3]以煤为碳源,采用化学氧化法合成了碳纳米洋葱,这些碳纳米洋葱包含羧基和羟基官能团。Raj等[1]以煤为前驱体,采用化学氧化和超声处理的方法合成了粒径较小、表面官能团丰富的纳米金刚石。

1.2 一维碳材料

一维碳材料包括碳纳米纤维和碳纳米管。通常采用静电纺丝法、模板法、化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法和催化热解法等方法制备一维碳材料,其中,化学气相沉积法、激光烧蚀法和电弧放电法可制备出高质量一维碳材料,但设备复杂,制备成本高;静电纺丝法、模板法和催化热解法操作简便、成本低,因而受到了广泛关注。
何一涛等[4]利用KMnO4对煤进行氧化处理,使固态煤变为液体的可纺丝溶液,然后利用静电纺丝法制备出碳纳米纤维,最后进行CO2活化处理,以该碳纳米纤维作为电极可具有259.7 F/g的比容量。Lv等[5]以煤为碳源,二茂铁和碳酸钾为催化剂,采用催化热解法制备了碳纳米管,制备出的碳纳米管石墨化程度高,直径在50~250 nm之间,壁厚在20 nm左右。

1.3 二维碳材料

二维碳材料包括碳纳米片和石墨烯。使用焦耳热闪蒸法、液相氧化法、模板法、机械剥离法、化学氧化法和化学气相沉积法等方法可以制备出二维碳材料,其中,焦耳热闪蒸法是一种新兴方法,能够实现石墨烯大规模高效制备且不依赖催化剂,具有巨大的应用潜力。
Gan等[6]以煤为前驱体,采用液相氧化法制备出碳纳米片,片层尺寸为10~20 nm,由63.5%碳、5.1%氮和31.4%氧组成,具有丰富的边缘活性位点和官能团。Liu等[7]以煤为碳源,使用焦耳热闪蒸法在100 ms的时间里就实现了煤到石墨烯的转变,制备的石墨烯层间距可达0.358 nm,大的层间距使石墨片容易剥离出来,表明了焦耳热闪蒸法的高效性和实用性。

1.4 三维碳材料

三维碳材料主要指多孔碳和碳气凝胶,其中,多孔碳因制备简便、比表面积大和成本低廉而被大量应用于储能领域。三维碳材料的制备主要采用熔盐法、活化法、炭化法和溶胶-凝胶法等,这些方法易操作,过程可控且可实现碳材料的大规模生产。
Chen等[8]以煤为碳源和前驱体,NaCl/ZnCl2为成孔剂,采用熔盐法制备了多孔碳,制备过程如图1所示。当温度到达NaCl/ZnCl2熔点后,NaCl/ZnCl2会融化并渗入前驱体中,这不仅能抑制前驱体的收缩,而且会使前驱体形成多孔结构。通过该方法制备的多孔碳具有分级多孔结构,比表面积可达 2 548 m2/g。Pei等[9]以煤为碳源,通过碘插层辅助KOH活化制备出多孔碳材料,碘的嵌入增加了煤的层间距,并提高了KOH的活化均匀性,因而制备出的多孔碳层间距较大,孔隙结构丰富。Shi等[10]以煤沥青为碳源,使用化学氧化法制备了碳点,然后, 将其作为前驱体,通过炭化法构建了多孔碳材料。该多孔碳材料由交联和扭曲的纳米片组成,具有发达的分层多孔结构、较大的比表面积(121.13 m2/g)和合理分布的介孔/微孔。这种方法实现了从零维碳点到三维多孔碳的转变,为设计和制备结构复杂的多孔碳材料提供了思路和方法。
Jin等[11]以煤为碳源,三聚氰胺、磷酸氢二钠和硫粉分别为N、P、S源,采用溶胶-凝胶法制备出N、P、S三掺杂分层多孔碳气凝胶(N-P-S-DCA),N、P和S源可以调节碳气凝胶的形态和结构,N-P-S-DCA比表面积为285.59 m2/g,微孔含量可达39.81%。

2 煤基碳材料在金属离子电池中的应用

电化学储能装置对于可再生能源的发展极为重要,其中,金属离子电池作为电化学储能装置的一种,在当前多元化的能源体系中发挥着举足轻重的作用。金属离子电池通过金属离子在阴极和阳极之间的可逆迁移实现能量的存储和转换,这要求电极材料具有适宜的孔径结构和层间距、高导电性、丰富活性位点等特性。研究人员将碳材料作为阳极应用于金属离子电池中,使阳极具有优秀的比容量和循环稳定性,从而提升金属离子电池的电化学性能。

2.1 锂离子电池

锂离子电池具有比容量大、工作温度范围宽和使用周期长等优点,是目前高性能商用电池的代表。阳极材料通常采用碳材料和合金材料。石墨作为碳材料的一种被首先应用于锂离子电池阳极中,并在目前的市场中占据了主导地位。但是,由于石墨阳极存在固体电解质界面(SEI)膜过度生长、石墨颗粒破碎脱落和锂金属沉积等问题,因此多孔碳、碳纳米片和硬碳等其他碳材料也获得了研究人员的关注。
Shi等[10]以煤沥青为碳前驱体,采用化学氧化法和炭化法制备了多孔碳材料(PCF-700),该材料独特的三维结构可以减轻Li+嵌入/脱出时的体积变化,提供丰富的Li+存储位点,缩短Li+扩散路径。将其作为阳极材料的锂离子电池表现出1 021 mAh/g的高比容量,在2 A/g的电流密度下进行1 000次循环后仍能保持273 mAh/g的比容量。Gao等[12]以煤为碳源,通过熔盐法制备了超薄N掺杂碳纳米片(N-PCNS),该材料的类石墨烯结构可以提供更多的Li+和电子转移通道,N掺杂可以提供额外的活性位点,从而促进Li+的存储。作为锂离子电池阳极时,在0.2 A/g的电流密度下循环150次后比容量可达727.0 mAh/g,即便将电流密度增加到5 A/g后也能保持344.6 mAh/g的比容量。Li等[13]以煤为前驱体,采用水热法和炭化法制备了微晶硬碳(MHC),在0.1 A/g的电流密度下展现出318 mAh/g的高比容量,将其作为阳极的锂离子电池具有 46.7 Wh/kg的能量密度,在24 A/g的高电流密度下经过10 000次循环后的容量保持率可达94.7%。

2.2 钠离子电池

钠是自然中最丰富的元素之一,价格低廉,理论比容量高达1 166 mAh/g,组成的钠离子电池有替代锂离子电池的潜力,但是Na+(1.06 Å)比Li+(0.76 Å)的离子半径大,这导致Na+嵌入/脱出困难,从而致使反应动力学迟缓,甚至引起电极材料结构被破坏。因此,具有合理孔径结构和适宜层间距的电极材料是实现钠离子电池稳定高效运行的关键。碳材料由于结构可调性、性质稳定性以及大的比表面积而应用于钠离子电池阳极材料中。石墨虽然在锂离子电池中应用广泛,但是石墨0.335 nm的层间距不适合Na+的储存,并且Na+和石墨形成稳定插层化合物的能力较差。与石墨不同,硬碳的层间距更大,存在大量的纳米孔以及丰富的空位、边缘和缺陷位点,这些特性为Na+的扩散提供了更多通道,有效缩短了Na+的扩散距离,并为电荷储存提供了更多的活性位点,从而使钠离子电池获得更高的存储容量。
Moon等[14]以煤为前驱体,采用热解法制备出硬碳(FP),硬碳具有0.4 nm的层间距和丰富的孔径结构,有助于作为电极材料时的离子储存,以该材料作为阳极的钠离子电池具有109.4 mAh/g的比容量。将该方法与其他硬碳处理技术(如酸洗)搭配有望进一步提高硬碳在钠离子电池中的储能性能。Chen等[15]以煤为碳源,将煤和蔗糖进行交联相互作用形成杂化微晶,在高温下进行热解制备出硬碳(LCS-73)。硬碳具有伪石墨域和良好的层间距,有利于Na+的储存和传输,并且较少的表面缺陷保证了高的库伦效率(82.9%),Na+存储容量可达356 mAh/g,作为阳极组装的钠离子电池具有 240 Wh/kg的能量密度和0.6 A/g电流密度下循环500次后83.3%的容量保持率。

2.3 钾离子电池

由于钾在自然中的储量丰富,并且与锂同主族且物理化学性质相近,钾离子电池成为有前途的储能设备。然而,较大的钾离子半径(1.38 Å)会导致电极材料严重的体积膨胀和结构破坏,从而致使钾离子电池的循环能力差。与Na+和石墨难以形成稳定插层化合物不同,K+具有比Na+更负的氧化还原电位,从而可以与石墨形成更稳定的插层化合物,故而石墨和无定形碳等碳材料可应用于钾离子电池阳极中。通过活化法、热解法和炭化法等方法可以调控碳材料的微观结构,使得碳材料具有好的储钾性能。
Chen等[16]以煤为前驱体,采用水热法和活化法制备了分级多孔炭(CBC-700),该材料丰富的微孔结构和高比表面积促进了K+的吸附/解吸,作为钾离子电池阳极材料时,在0.05 A/g电流密度下具有314 mAh/g的比容量,在0.5 A/g的电流密度下循环500次后仍有235 mAh/g的比容量和接近100%的库伦效率。Li等[17]使用煤液化残渣作为前驱体,通过热解法将煤液化残渣和氧化膨胀石墨(EGO)共价融合制备出软碳(SC)涂覆EGO结构的SC@EG复合材料,SC和EG之间由共价键连接,这保证了复合材料在K+储存过程中结构的完整性,SC@EG良好的孔隙度和丰富的缺陷可以加快K+和电子的迁移,作为钾离子电池阳极材料,在0.1 A/g的电流密度下比容量为268 mAh/g,循环200次仍有221 mAh/g的比容量。Liu等[18]以煤沥青为前驱体,使用预氧化的方法合成了氧化微球,并用NaH2PO2进行炭化得到富P、富O碳微球(P/O-CMs),如图2所示。预氧化和随后的P掺杂在碳层中产生了大量的空位和缺陷,增大了层间距,这不仅增加了比容量,还为电子和K+的快速迁移提供了路径,加速了K+的插入和提取。得益于上述优点,该钾离子电池阳极材料具有在0.05 A/g电流下 352 mAh/g的高储能容量,5 A/g下114 mAh/g的高倍率性能和1 A/g下循环100次后154 mAh/g的循环寿命。

2.4 锌离子电池

由于Li、Na和K金属的化学活性较强,因此它们并不适用于水系电解液,而金属锌作为2价锌离子储能器件的阳极材料,在电荷的快速存储和转移方面与单价阳离子(如Na+、Li+和K+)的阳极材料相比拥有更大的优势。此外,锌在自然中储量丰富,理论比容量高(823 mAh/g),氧化还原电位适当(-0.76 V vs.标准氢电极),以及可采用绿色、安全的水性电解质,锌离子电池因此成为有竞争力的储能器件。目前,锌离子电池的主要阴极材料采用锰基材料、钒基材料和普鲁士蓝类似物等。碳材料可以与这些材料进行复合来增强导电性或作为集流体而应用于锌离子电池中。
任慧敏[19]以煤沥青为碳源,KOH为活化剂制备多孔碳材料,采用电沉积法利用此多孔碳材料制备Cu/CTB/Zn电极材料用于锌离子电池阳极,由其组装的锌离子电池比容量可达363 mAh/g。除此研究之外,煤基碳材料主要集中在锌空气电池和锌离子电容器的研究中。例如,Zhang等[20]以煤沥青为前驱体,通过酸处理引入缺陷,采用热解法制备了球形多孔过渡金属-氮-碳催化剂并应用于锌空气电池中,比容量可达870 mAh/g。应用于金属离子电池中的煤基碳材料制备方法及相应电池比容量如表1所示。

3 煤基碳材料在金属离子电容器中的应用

作为一种新型储能器件,金属离子电容器弥补了超级电容器能量密度低、金属离子电池功率密度低的缺点。但是,它存在电极间动力学和容量不平衡、离子/电子扩散速率慢、电极结构稳定性差等问题,因此需要开发适配的电极材料提高它的储能性能[21]。与金属离子电池由两电极发生氧化还原反应来进行离子嵌入/脱出的工作原理不同,金属离子电容器由电池型阳极进行离子的嵌入/脱嵌以及电容型阴极进行离子吸附/解吸来进行能量的存储,阴极材料通常采用高比表面积的碳材料,阳极则采用碳材料和过渡金属氧化物等材料。由于碳材料的结构可调性,由其衍生的阳极和阴极在动力学方面表现出良好的匹配性,这使得其在金属离子电容器电极材料中具有巨大的应用前景。

3.1 锂离子电容器

锂离子电容器作为高性能储能器件受到了研究人员的极大关注,其阴极应具有高比表面积和适宜的孔隙结构,从而实现快速的反应动力学,阳极应具有高比容量、高稳定性和长循环寿命。阴极和阳极容量和动力学的差异是限制其发展的重要原因。通过微观结构调控可使得碳材料具有上述特点,从而缩小阴极和阳极的容量和动力学差距。
Jiang等[21]以煤为前驱体,具有高氮含量和层状结构的g-C3N4作为模板剂和氮源,采用炭化法合成了氮掺杂多孔碳材料(CNPCs),CNPCs具有折叠的碳纳米片结构,相互连接和多孔的碳纳米片提供了与电解质接触的大比表面积,N掺杂为Li+吸附提供了额外的活性位点,以CNPCs同时作为阴极和阳极组装的锂离子电容器在内部动力学和容量方面相匹配,在0.41 kW/kg的功率密度下表现出137.6 Wh/kg的能量密度,2 A/g的电流密度下经过3 000次循环后仍有75%的电容保持率。Zhong等[22]以煤为前驱体,利用活化法制备出活性炭(AC)、石墨化碳(GC)和石墨烯(rGO),将rGO作为涂层材料进一步制备AC@rGO和GC@rGO复合材料,并将GC@rGO复合材料进一步预锂化来补偿初始不可逆离子消耗和SEI的形成,AC@rGO阴极和预锂化GC@rGO阳极可以缩小两电极的容量和动力学差距,组装的锂离子电容器表现出315.1 Wh/kg的能量密度和15 kW/kg的功率密度,在0.2 A/g的电流密度下经过10 000次循环后容量保持率为78%。Sun等[23]通过活化法将煤转变为多孔石墨烯(PG)阴极材料,与P掺杂的纳米多孔碳球阳极组装成锂离子电容器,该锂离子电容器具有207 Wh/kg的能量密度和17.06 kW/kg的功率密度,特别是在2 A/g的电流密度下循环15 000次没有容量衰减,这体现出PG阴极与P掺杂纳米多孔碳球阳极的完美契合。

3.2 钠离子电容器

钠离子电容器存在电池型阳极不能容纳大尺寸Na+、电容型阴极容量低、阴极与阳极动力学不匹配等问题。碳材料具有结构可调、性质稳定和导电性高等优点,成为钠离子电容器电极材料的首选,碳纳米片、硬碳等碳材料可进行层间距和孔径结构的调整,因而在钠离子电容器电极材料中具有突出表现。
Zhu等[24]以煤沥青和腐植酸为前驱体,采用模板法制备了多孔碳纳米片(PCS),多孔碳纳米片既包含石墨晶体结构,又包含多孔结构。将其作为阳极的钠离子电容器表现出158.2 Wh/kg的能量密度、22.8 kW/kg的功率密度和0.25 A/g电流密度下循环500次后85%的电容保持率。
缩小阳极和阴极的动力学差距对提高钠离子电容器储能性能尤为重要。基于此,Wang等[25]同时制备了钠离子电容器的阳极和阴极材料,以煤焦油为碳前驱体,白云石衍生的氢氧化物为模板,通过模板法获得具有相互连接的介孔碳纳米板(MCNPs)结构,如图3所示。MCNPs具有丰富的介孔/大孔和扩大的碳层间距,保证了N+的储存。此外,通过在模板化过程中引入K2CO3活化制备了分层多孔碳纳米板(HCNPs)阴极。通过阳极和阴极构建的钠离子电容器具有122.4 Wh/kg的能量密度、17.5 kW/kg的功率密度和1 A/g电流密度下循环7 000次后71%电容保持率的循环寿命。为了进一步匹配阳极和阴极材料之间的反应动力学,Wang等[26]将煤作为前驱体,KOH作为活化剂,采用活化法制备多孔碳材料(CAC1300)。CAC1300具有高的储钠性能,将CAC1300阳极与AC900(用KOH在900℃下活化煤1 h)阴极组装的钠离子电容器具有101.8 Wh/kg的能量密度、2.9 kW/kg的功率密度和1 A/g电流密度下循环2 000次后87.2%的电容保持率,所有样品的产碳率均在76%以上,表明了煤基碳材料在实际应用中的成本效益和可行性。

3.3 钾离子电容器

钾离子电容器的电极材料在储钾过程中体积易膨胀,极大地影响了稳定性。对碳材料掺入杂原子,调控层间距和孔径结构有助于克服这个问题,通过模板法、炭化法和静电纺丝法等方法制备的碳材料可以实现杂原子掺杂、层间距和孔径结构调控,进而缩短K+传输距离,保持结构的稳定性。
Jiang等[27]以煤沥青为前驱体,Mg(OH)2为模板剂,通过模板法合成了富含缺陷的多孔碳纳米片(HPCS)。具有多孔结构的超薄纳米片框架不仅加速了电解质的快速渗透,而且减轻了循环时的体积膨胀。作为钾离子电容器阳极时表现出130 Wh/kg的最大能量密度和10.735 kW/kg的最大功率密度,在1 A/g的电流密度下经过2 000次循环后能保持85.63%的比容量。蒋江民等[28]将煤沥青作为碳源,通过模板法制备了氟氮共掺杂的多孔碳纳米片(FNCPC),碳纳米片的层状多孔结构可以缩短离子的传输路径,F、N共掺杂可以拓宽碳的层间距,从而缓解体积膨胀问题。由其组装的钾离子电容器具有87.5 Wh/kg的最大能量密度和10.25 kW/kg的最大功率密度,在1 A/g的电流密度下循环3 000次后具有86.1%的容量保持率。

3.4 锌离子电容器

与锌离子电池不同,碳材料在锌离子电容器电极材料中应用广泛。此外,其阳极也与锂、钠、钾离子电容器不同,锌离子电容器通常采用锌箔作为阳极材料,碳材料主要作为电容型阴极,利用其高比表面积和适宜的孔径结构来提升电极反应动力学。
Fu等[29]以煤为前驱体,通过热解法合成了氮/氧共掺杂的介孔煤衍生碳(N/O-DMCC)。N/O-DMCC具有高的比表面积和多杂原子掺杂含量,基于N/O-DMCC电极的锌离子电容器在0.175 5 kW/kg的功率密度下具有347 Wh/kg的高能量密度,在10 A/g的电流密度下循环10 000次后容量保持率可达94.8%。除了高比表面积和适宜的孔径结构外,杂原子掺杂也有助于提升锌离子电容器的性能。Liu等[30]以煤沥青为前驱体,普鲁士蓝类似物为模板,KOH为活化剂,通过模板法和活化法制备了层叠多孔煤沥青衍生碳(NPC),NPC具有 1 197.91 m2/g的大比表面积、高度互连的孔隙结构和丰富的N/O掺杂(8.7和2.4 at%),这些特性使得其可以促进Zn2+离子的快速传输,提供额外活性位点。NPC在10 A/g的高电流密度下进行10 000次循环后仍具有96.8%的超高容量保持率,与锌箔阳极组装的锌离子电容器在功率密度为0.203 kW/kg时具有112.1 Wh/kg的能量密度。应用于金属离子电容器中的煤基碳材料制备方法及相应金属离子电容器储能性能如表2所示。

4 结论与展望

煤炭储量丰富、价格低廉且含碳量高,其衍生物(如煤沥青)同样继承了这些特点,实现煤及其衍生物的高效转化和利用,对解决我国能源问题和加快能源转型意义重大。煤基碳材料在金属离子电池和金属离子电容器中的应用已经取得了一定的成果。其中,锂离子电池和锂离子电容器储能性能最好,但锂矿储量低且分布不均匀,使得锂价格昂贵,钾、钠和锌自然储备丰富,价格低廉,基于煤基碳材料的钾离子、钠离子和锌离子储能设备具有极高的应用价值。目前已经有一些成熟的方法制备煤基碳材料,如活化法、模板法、热解法等,此外,还有焦耳热闪蒸法等新方法不断被研究出来。通过优化制备工艺和掺杂改性,可以进一步提高煤基碳材料的电化学性能,使其在金属离子电池和金属离子电容器中展现出更加出色的性能。此外,煤基碳材料的应用还有助于推动可再生能源的发展,提高能源利用效率,促进可持续发展。
尽管目前煤基碳材料的研究已经取得了一系列成果,但为了开发出成本更低、产量更大、性能更优的制备工艺,仍需深入探索。从以下方面入手会增加煤基碳材料的经济效益和储能性能。
(1)结合各种制备方法的特性,将多种方法集成在一起,实现精确控制碳层间距、孔径结构和结晶度等参数,从而制备高性能煤基碳电极材料。
(2)充分利用煤炭本身含有杂原子物质(如N、O、S等)的特点,开发出能够提高杂原子掺杂效率和含量,并控制杂原子分布的方法。
(3)原煤的处理涉及到强氧化剂、特定气氛和高温高压环境,这些工艺操作会产生废固、废液、废气等副产物,污染环境的同时增加处理成本。因此,开发既环保又经济的制备技术是未来煤基碳材料的一个研究方向。

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