Low temperature carbonization of cellulose nanocrystals for high performance carbon anode of sodium-ion batteries

材料科学 碳化 阳极 化学工程 碳纳米纤维 多孔性 碳纤维 纤维素 纳米晶 电化学 纳米技术 碳纳米管 复合材料 电极 扫描电子显微镜 复合数 物理化学 化学 工程类
作者
Hongli Zhu,Fei Shen,Wei Luo,Shuze Zhu,Minhua Zhao,Bharath Natarajan,Jiaqi Dai,Lihui Zhou,Xiulei Ji,Reza S. Yassar,Teng Li,Liangbing Hu
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:33: 37-44 被引量:211
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2017.01.021
摘要

Abstract Cellulose is the most abundant renewable material in nature. In this work, ordered cellulose nanocrystals (CNCs) have been transformed into porous carbon with an increased short-range ordered lattice and percolated carbon nanofiber at a relatively low carbonization temperature of 1000 °C. When evaluated as anode for sodium-ion batteries (SIBs), the CNC derived porous carbon shows superior performances including a high reversible capacity of 340 mA h/g at a current density of 100 mA/g, which is one of the highest capacity carbon anodes for SIBs. Moreover, the rate capability and cycling stability of the porous carbon are also excellent. The excellent electrochemical performance is attributed to the larger interlayer spacing, porous structure, and high electrical conductivity arising from the ordered carbon lattice and the percolated carbon nanofiber. The formation of nano-sized graphitic carbon from the ordered CNC at the low carbonization temperature of 1000 °C is supported by both molecular dynamic simulations and as well as in-situ TEM measurements. This study shed light on the fundamental understanding of converting hydrocarbon biopolymer from wood to high quality carbon with a large domain of ordered lattice.
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