东北大学伊廷锋课题组报道了利用煤沥青作为前驱体，纳米碳酸钙粉体作为模板，通过碳化、活化等步骤制备出孔径分布均匀，比表面积较高的煤沥青衍生多孔碳材料（CTP-X）。这项工作为开发和应用高性能，低成本的碳基材料提供了新的方法和思路。
锂离子电池作为一种高效、清洁、可再生的能源转换和储存装置，已经在电动汽车、移动通讯、便携式电子设备等领域得到了广泛的应用。然而，随着人们对高性能电池的需求日益增加，传统的石墨负极材料已经不能满足锂电池的能量密度和功率密度的要求。因此，开发合适的负极材料是成为锂离子电池中重要的研究领域，已经使用其他碳材料替代石墨阳极，如碳纤维、石墨烯、多孔碳和碳纳米管(CNTs)等。其中，碳纤维的导电性能优异，但在锂离子电池应用中能量密度低。石墨烯具有高比表面积，但作为二维材料易于堆叠。CNTs具有良好的导电性和较短的扩散路径，但作为锂离子电池阳极材料时存在电压滞后，不可逆容量差等缺点。与其他材料相比，多孔碳因其层次化孔结构、高比表面积、高比容量和优良的倍率性能被称为是最可能取代传统石墨的负极材料之一。
然而，多孔碳材料的性质在很大程度上取决于是否存在可接近的孔隙和孔隙的大小，孔径分布大的多孔碳材料目前被认为具有质量输运低、电导率低、结构稳定性低等缺点。为了控制孔隙度的发展，需要选择合适的碳前驱体，对于碳材料来说最常见的前驱体是生物质和石油来源。生物质前驱体由于化学成分复杂，使得热转化机理复杂且在碳化过程中发生多种反应，制备多孔碳的技术复杂。相比之下，煤焦油沥青是煤焦油蒸馏后剩下的残渣，具有碳化率高、价格低、储量丰富的特点。
基于上述问题，东北大学伊廷锋课题使用煤焦油沥青作为多孔碳的碳前驱体，可以有效减少环境污染，提高二次资源的利用率。利用纳米CaCO3模板技术作为模板，商用CaCO3纳米颗粒丰富且价格低廉，而且用稀盐酸溶液去除模板过程简单。因此，制备的煤沥青衍生多孔碳材料(CTP-X)具有发达的大孔-介孔-微孔分层多孔网络结构，为Li+离子的储存提供了丰富的活性位点，显著降低了极化和电荷转移阻力，缩短了扩散路径并促进了Li+离子的快速迁移。更具体地说，CTP-2负极具有高充电容量(50 mA g-1时为496.9 mAh g-1)，优异的倍率性能(即使在500 mA g-1时也为413.6 mAh g-1)和高循环稳定性(在2 A g-1下循环1000次后，容量保持率约为100%)。本实验为生产低成本的煤沥青衍生多孔碳用作锂离子电池高性能负极材料，提供了一种新的高效制备方法。
论文信息
Highly Graphitized Coal Tar Pitch-Derived Porous Carbon as High-Performance Lithium Storage Materials
Lu-Lu Zhao, Si-Yu Qi, Nan Zhang, Peng-Fei Wang, Zong-Lin Liu, Ting-Feng Yi
Chemistry – A European Journal
DOI: 10.1002/chem.202400189
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Chemistry – A European Journal
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