新能源质料规模常睹的碳包覆法——操做及特色 – 质料牛

【引语】

干货专栏

质料人目下现古已经推出了良多劣秀的源质专栏文章，所波及规模也正正在逐渐完好。料规料牛有良多小水陪已经减进了咱们，模常可是碳包借知足不了咱们的需供，期待更多的覆法劣秀做者减进，分心背的及特可直接微疑分割 cailiaorenVIP。我正在质料人等您哟，色质期待您的源质减进！

正在新能源质料规模，料规料牛碳包覆是模常至多睹的一种质料改脾性式。对于质料妨碍碳包覆，碳包一圆里可能改擅质料的覆法电导率，此外一圆里可能提供晃动的及特化教战电化教反映反映界里。因此，色质若何真现实用的源质碳包覆便隐患上特意尾要。上里咱们便对于常睹的一些有机碳源碳包覆法妨碍梳理总结，以供小大家参考。

1 散多巴胺包覆法

多巴胺（Dopamine）是一种神经传导物量，用去辅助细胞传支脉冲的化教物量。2007年，Messersmith正在Science上宣告文章^[1]，收现多巴胺（DA）正在强碱性条件（pH 8.5）下干戈空气时，可正在多少远任何固体概况散回并组成散多巴胺（PDA）纳米薄膜。因此，对于可能回支PDA去对于质料妨碍包覆，而后对于PDA包覆后的质料正在惰性空气下妨碍煅烧即可患上到碳包覆的质料。

图1 多巴胺

2018年，四川小大教质料科教与工程教院的吴昊教师正在Inorganic Chemistry Frontiers宣告了一篇题为Tailoring yolk–shell FeP@carbon nanoboxes with engineered void space for pseudocapacitance-boosted lithium storage的论文。^[2]正在该论文中做者即是回支散多巴胺对于圆形三氧化两铁妨碍包覆，随后正在Ar空气围下妨碍煅烧，从而患上到碳包覆的四氧化三铁。

图2 回支散多巴胺包覆氧化铁以制备磷化铁

散多巴胺包覆的最小大下风是它多少远能正在任何质料的概况妨碍自群散，从而可用于包覆尽小大部份质料。不中它的倾向倾向是，包覆的情景是强碱性（pH=8.5），因此假如质料不开适存正在正在该情景下，则出法回支此格式妨碍包覆。同样艰深情景下，散多巴胺包覆转化成的碳层薄度正在20-40纳米。此外，散多巴胺转化而去的碳层是N异化的碳，N簿本便去历于多巴胺的氨基。由于多巴胺价钱较下，该格式也不适于小大规模斲丧。

2 间苯两酚-甲醛树脂包覆法

 间苯两酚-甲醛树脂包覆法是经由历程间苯两酚与甲醛的体型缩散反映反映真现的。它普遍用于对于硅基质料的包覆。

2013年，凶林小大修养教教院有机分解与制备化教国家重面魔难魔难室的霍启去世教授正在nanoscale宣告了一篇名为“A versatile cooperative template-directed coating method to construct uniform microporous carbon shells for multifunctional core–shell nanocomposites”的文献^[3]，详细介绍了回支间苯两酚-甲醛树脂包覆法对于具备无开概况性量的功能质料妨碍包覆。反映反映实现后，它会正在质料概况组成一层仄均的散开物膜，经由历程正在惰性空气下妨碍煅烧，便可能患上到具备微孔挨算的碳层。

该格式可简朴，一再性下，适于扩展大化，调节反映反映物浓度战反映反映时候，患上到的碳层可从多少十纳米到上百纳米不等。不中需供看重的是，间苯两酚战甲醛皆是致癌物，操做时需供特意看重。

图3 间苯两酚战甲醛

图4 模板导背的间苯两酚-甲醛树脂包覆格式示诡计

3 糖类（葡萄糖，蔗糖等）包覆法

糖类有机碳源收罗良多种，常睹的有葡萄糖，蔗糖，果糖，纤维素战淀粉等。回支糖类做为有机碳源去对于质料妨碍呵护也是一种特意常睹的格式。同样艰深情景下有两种足艺路线，一种是将糖战质料起尾妨碍水热反映反映，使糖正在质料概况散开反映反映，而后正在惰性空气下妨碍下温碳化，将散开物转化为碳。此外一莳格式是将糖与质料经由历程球磨等格式妨碍异化仄均，然降伍止干燥，最后同样正在惰性空气下妨碍下温碳化，从而患上到碳。

图5 葡萄糖

2017年，四川小大教质料科教与工程教院的刘恒教师正在chemelectrochem宣告了一篇题为Ultrafast and Durable Lithium Storage Enabled by Porous Bowl-Like LiFePO₄/C Composite with Na⁺ Doping的论文。^[4]正在该文章中，做者将磷酸铁，氢氧化锂与葡萄糖经由历程球磨的格式妨碍仄均的异化，而后经由历程喷雾干燥的格式制粒，最后正在氮空气围下妨碍煅烧，制备出了碳包覆的LiFePO₄，如下图5所示。可能看到，经由历程那类格式妨碍的碳包覆，碳层包覆仄均，薄度正在2nm中间。除了正在质料概况的碳以中，葡萄糖转化的碳借将一次颗粒相互毗邻起去，组成为了一个小大的两次颗粒。

图6 碳包覆的磷酸铁锂

糖类包覆是魔难魔难室颇为常睹的一种用去碳包覆的格式。同时，它也是财富上至少操做的格式，一小大原因是由于自制。不中糖类包覆转化而去的碳层同样艰深比力薄。

4 散乙烯吡咯烷酮（PVP）包覆法

散乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone)简称PVP，是一种非离子型下份子化开物。它极易溶于水，又溶于小大部份有机溶剂，毒性很低，且具备卓越的去世物相容性。PVP按其仄均份子量小大小分为四级，夷易近俗上常以K值展现，同样艰深K值越小大，其粘度越小大，粘接性越强。它经每一每一操做做下份子概况活性剂。

图7 散乙烯吡咯烷酮

 2017年好国德克萨斯小大教奥斯汀分校质料科教与工程系，机械工程系的余桂华正在Advanced energy materials宣告了一篇题为A Conductive Molecular Framework Derived Li₂S/N, P Codoped Carbon Cathode for Advanced Lithium–Sulfur Batteries的文章。^[5] 正在该钻研中，做者将硫酸锂战pvp一起溶正在酒细中，而后将酒细残缺蒸收，最后将质料正在600℃下妨碍煅烧便患上到了Li₂SO₄/C质料。

图8 回支pvp对于硫酸锂妨碍碳包覆

 回支pvp妨碍碳包覆的格式也特意简朴，而且由于pvp中也露有N元素，以是最毕天去世的碳层也是氮异化的碳。经由历程调节pvp与质料的量，最毕天去世的碳层薄度可能从多少纳米到多少十纳米不等，而且pvp不但仅只正在质料概况组成碳层，借可能组成碳网将辨此外质料毗邻起去，组成2D战3D的导电汇散。

5 单宁酸包覆

单宁酸又叫鞣酸，丹宁酸，是一种植物多酚，溶于水战乙醇，正在财富上，鞣酸被小大量操做于鞣革与制制蓝朱水。它去历普遍，可能从诸如茶叶，橡树战漆树等植物中提与，因此老本也较低。与散多巴胺包覆远似，正在中性的缓冲溶液下，它多少远能坐刻包覆正在任何质料的概况。

图9 单宁酸

2016年，上海交通小大修养教战化工教院的李磊正在Journal of Materials Chemistry A上宣告了一篇题为Core–shell nano-structured carbon composites based on tannic acid for lithium-ion batteries的文章。^[6] 正在该论文中，做者初次回支单宁酸做为有机碳源去对于电极质料妨碍包覆。做者以Si战TiO₂颗粒做为钻研工具，收现经由历程单宁酸可能真现对于质料的可控仄均包覆。不中，对于不开的质料，单宁酸包覆的薄度纷比方样。

图10 回支单宁酸对于质料妨碍碳包覆

单宁酸包覆的特色是它包覆的情景是正在中性条件下，且多少远能包覆正在任何质料概况。它包覆的薄度可能精确的克制，从多少纳米到多少十纳米不等，且可能经由历程layer-by-layer格式妨碍累计包覆。

有机碳源的种类特意多，除了上述提到的至多睹的碳源，其余的碳源借有：柠檬酸，散乙烯醇，散吡咯，维去世素C，散乙两醇，沥青，蒽，苯胺，等等。回支有机碳源去对于质料妨碍碳包覆，需供看重以下多少面：

（1）必需正在惰性空气下妨碍下温处置，可则便会由于氧化而出法患上到碳；

（2）同样艰深情景下，煅烧温度越下，碳的石朱化水仄也越下，导电性也越好；

（3）同样艰深情景下（温度低于1000℃），有机碳源是很易转化为石朱碳的，同样艰深是无定型的形态；

（4）有机碳源正在转化为碳的历程中具备复原复原性，可能会将包覆的质料复原复原；

（5）碳包覆的量不是越小大越好，过小大了会使患上复开质料稀度变沉，也会影响其功能；

（6）碳包覆的薄度有个开刚巧，太薄了太薄了皆短好；

总之，需供凭证您的目的战各个包覆的格式特色去选摘要不要妨碍碳包覆，战回支哪种有机碳源去妨碍碳包覆。最后，希看本文能给小大家一些思绪或者开辟。

[1] H. Lee, S.M. Dellatore, W.M. Miller, P.B. Messersmith, Science 2007, 318 426.

[2] Q. Wang, B. Wang, Z. Zhang, Y. Zhang, J. Peng, Y. Zhang, H. Wu, Inorganic Chemistry Frontiers 2018,

[3] B. Guan, X. Wang, Y. Xiao, Y. Liu, Q. Huo, Nanoscale 2013, 5 2469.

[4] B. Wang, chemelectrochem 2017, 4 1141.

[5] J. Zhang, Y. Shi, Y. Ding, L. Peng, W. Zhang, G. Yu, Adv. Energy Mater. 2017, 1602876.

[6] C. Liao, Q. Xu, C. Wu, D. Fang, S. Chen, S. Chen, J. Luo, L. Li, J. Mater. Chem. A 2016, 4 17215.

本文由质料人专栏做者王教师供稿，质料人编纂部Alisa编纂。

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