The Role of Hydrothermal Carbonization in Sustainable Sodium‐Ion Battery Anodes

水热碳化 碳化 材料科学 阳极 碳纤维 热液循环 电化学 化学工程 纳米技术 电极 复合数 复合材料 扫描电子显微镜 化学 工程类 物理化学
作者
Zhen Xu,Jing Wang,Zhenyu Guo,Fei Xie,Haoyu Liu,Hossein Yadegari,Mike Tebyetekerwa,Mary P. Ryan,Yong‐Sheng Hu,Maria‐Magdalena Titirici
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (18) 被引量:303
标识
DOI:10.1002/aenm.202200208
摘要

Abstract Sodium‐ion batteries as a prospective alternative to lithium‐ion batteries are facing the challenge of developing high‐performance, low‐cost and sustainable anode materials. Hard carbons are appropriate to store sodium ions, but major energy and environmental concerns during their fabrication process (i.e., high‐temperature carbonization) have not been properly assessed. Furthermore, the rational design of high‐performing hard carbon anodes is usually limited by the conventional direct carbonization of organic precursors. Here, the hydrothermal carbonization process is employed as a versatile pre‐treatment method of renewable precursors, followed by high‐temperature carbonization, for producing advanced hard carbon anodes. The critical role of hydrothermal pre‐treatment in regulating the structure for an optimized performance of hard carbon anodes is elucidated, while revealing the sodium‐ion storage mechanism using electrochemical kinetic calculations, advanced characterization and multi‐scale modeling. Furthermore, the environmental impacts of hydrothermal pre‐treatment and subsequent carbonization are evaluated using life cycle assessment compared to direct carbonization. By comparing hard carbon anodes with and without the hydrothermal pre‐treatment, it is verified that the additional hydrothermal process is responsible for enhanced electrochemical performance, increased carbon yields and reduced carbon emissions. The work provides a systematic understanding of functions and energy consumptions of hydrothermal systems to achieve next‐generation sustainable sodium‐ion batteries.
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