煤基石墨化炭的结构调控及电化学储能应用

煤炭清洁高效利用是国家推进实现碳达峰碳中和目标的重要内容，煤的材料化是实现其低碳高值化利用的有效途径。锂离子电池作为一种绿色储能器件，广泛应用于便携式电子设备、电动/混合动力汽车及静态储能系统等领域。其中，负极材料的微观结构是影响锂离子电池性能的关键因素之一。本书基于无烟煤富含类石墨微晶芳香片层，且原生孔隙发达等特点，以无烟煤为原料，在掌握热处理过程中无烟煤微观结构演化规律的基础上，通过合理调控炭化-石墨化过程，在石墨微晶结构中有针对性地引入纳米孔道，构筑以石墨微晶为骨架兼具丰富孔结构的煤基石墨化炭负极材料。本书系统研究了煤基石墨、微扩层煤基石墨、煤基多孔炭纳米片、煤基石墨烯纳米片等不同石墨化炭的微观结构调控机制及其微观结构对负极材料储能性能的内在影响机理等，为高性能炭负极材料的研发和煤炭资源的低碳高值化利用提供理论依据和技术支撑。

随着煤炭等化石能源的开发利用，人类赖以生存的生态环境在发生变化，世界各国对清洁、可再生的绿色新能源的发展及高性能储能设备的开发提出了紧迫要求。锂离子电池作为新一代绿色能量储存和转换装置，具有能量密度高、循环寿命长、放电电压高、无记忆效应、自放电率低及环境污染小等优点，广泛应用于便携式电子设备、静态储能系统及电动/混合动力汽车等领域。但现有的锂离子电池质量指标(如容量、倍率性能、稳定性及寿命等)远不能满足新能源汽车等对高性能储能器件的要求，发展高性能、低成本及环境友好的锂离子电池势在必行。电极材料作为锂离子电池的核心部件，控制着整个电池的电化学反应，决定着电池的电化学性能。作为电极材料的重要组成部分，负极材料是制约电池性能提升的关键因素。因此，开发高性能负极材料对提高锂离子电池的性能至关重要。

另外，煤炭作为我国的主体能源，为国民经济和社会发展做出了巨大贡献。但目前以燃烧为主的利用方式，不仅造成较为严重的环境污染问题，且存在资源浪费。因此，根据我国以煤炭为主的能源资源赋存条件和实现碳达峰碳中和目标的基本要求，如何实现煤炭资源的低碳高值化利用是当前我国煤炭工业可持续发展面临的重大课题。煤炭作为高含碳量的天然矿产，资源丰富、价格低廉，含有大量与石墨类似的芳环结构，碳原子层面具有一定程度的择优取向性，且结构较为致密，是一种制备富含石墨微晶产品的优质原料。因此，以富含芳香片层的无烟煤为前驱体可控制备高品质煤基石墨化炭，不仅能为高性能锂离子电池负极材料的开发提供优质原料，也为煤炭的清洁高效利用开拓新路径。

太西无烟煤在高温热处理过程中的微观结构演变示意图

微扩层煤基石墨的储锂机制

CGNs的储锂机理

B-CGNs的剥离机制

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