Biomass-Derived Hard Carbon Anodes for Sodium-Ion Batteries

Abstract

Hårt kol (HC) utgör för närvarande ett av de mest lovande anodmaterialen för natriumjonbatterier (SIB). För kommersiella tillämpningar krävs att HC-anoder uppvisar en hög initial Coulombisk verkningsgrad (ICE) och en hög reversibel kapacitet, vilka är nära kopplade till en HC-struktur med en låg öppen porvolym och en hög sluten porvolym. Parallellt kräver HC produktionsvägar med låg a energiförbrukningar och en reducerad miljöpåverkan för att stödja en cirkulär ekonomi. Emellertid baseras dagens HC-produktion huvudsakligen på konventionell resistansuppvärmd karbonisering, där värme tillförs externt och överförs indirekt till materialet. Detta leder till en hög energiförbrukning och kräver vanligtvis extrema karboniseringstemperaturer för att inducera bildning av slutna porer. Därför används ofta ytterligare kemiska behandlingar eller eftermodifieringsprocesser, vilket ytterligare ökar energibehovet och miljöpåverkan. Dessa begränsningar sammantaget hindrar den skalbara och hållbara tillämpningen av HC-anoder.

Denna avhandling syftar till att utveckla genomförbara och energieffektiva modifierings- och karboniseringsprocesser för HC-produktion för att förbättra materialresursernas cirkularitet. I detta syfte genomförs grundläggande studier som kombinerar datadriven modellering, laboratorieexperiment och processimuleringar. Avhandlingen baseras på fyra olika studier som tillsammans etablerar en systematisk förståelse av sambanden mellan process, struktur och prestanda i biomassabaserat HC samt föreslår en energieffektiv por-ingenjörsstrategi möjliggjord av bio-oljemodifiering och induktionsuppvärmd karbonisering (IC).

För det första identifieras, genom en omfattande litteraturanalys och maskininlärningsmodellering, karboniseringstemperatur och HC-struktur som de dominerande faktorerna som påverkar den elektrokemiska prestandan hos HC. Undertryckta öppna porstrukturer och låg ytdefekttäthet visar sig vara avgörande för att uppnå hög ICE, medan större interlagringsavstånd och hög sluten porvolym är gynnsamma för hög platåkapacitet. Analysen visar dessutom den inneboende begränsningen hos konventionell karbonisering när det gäller att samtidigt uppnå låg öppen porositet och främja bildning av slutna porer.

För att övervinna dessa begränsningar utvecklas en hållbar ytmodifieringsstrategi baserad på bio-olja för att minska andelen öppna porer och ytdefekter. Denna metod reducerar den specifika ytan hos HC från 28 till 9 m²/g och ökar ICE från 84,4 % till 89,9 %. Genom att kombinera bio-oljebaserad ytmodifiering utvecklas vidare en ny IC-process. IC möjliggör direkt volymetrisk uppvärmning via virvelströmmar, vilket samtidigt minimerar den öppen porositeten och främjar bildningen av slutna porer. Som ett resultat uppvisar en optimerat IC-framställd HC anod en öppen porvolym under 0,003 cm³/g och en sluten porvolym upp till 0,23 cm³/g, med mycket höga ICE-värden över 95 % samt platåkapaciteter över 260 mAh/g.

Slutligen visar energi- och livscykelanalyser att IC reducerar energiförbrukningen vid karbonisering med cirka 60 % och minskar den totala miljöpåverkan med cirka 35 % jämfört med konventionella processer. Sammantaget visar denna avhandling genom att använda kombinatione av en bio-oljemodifiering och en induktionsuppvärmd karbonisering är möjligt att åstadkomma en energieffektiv och koldioxidsnål väg för en produktion av högpresterande biomassabaserade HC-anoder, vilket stödjer en hållbar utveckling av nästa generations natriumjonbatterier.

Link to DiVA