Hydrothermally Assisted Conversion of Switchgrass into Hard Carbon as Anode Materials for Sodium-Ion Batteries

材料科学 阳极 碳纤维 离子 化学工程 纳米技术 冶金 电极 复合材料 有机化学 复合数 工程类 物理化学 化学
作者
Yilin Li,Dawei Xia,Lei Tao,Zhiyuan Xu,Dajun Yu,Qing Jin,Feng Lin,Haibo Huang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (22): 28461-28472 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsami.4c02734
摘要

Sodium-ion batteries (SIBs) are emerging as a viable alternative to lithium-ion batteries, reducing the reliance on scarce transition metals. Converting agricultural biomass into SIB anodes can remarkably enhance sustainability in both the agriculture and battery industries. However, the complex and costly synthesis and unsatisfactory electrochemical performance of biomass-derived hard carbon have hindered its further development. Herein, we employed a hydrothermally assisted carbonization process that converts switchgrass to battery-grade hard carbon capable of efficient Na-ion storage. The hydrothermal pretreatment effectively removed hemicellulose and impurities (e.g., lipids and ashes), creating thermally stable precursors suitable to produce hard carbon via carbonization. The elimination of hemicellulose and impurities contributes to a reduced surface area and lower oxygen content. With the modifications, the initial Coulombic efficiency (ICE) and cycling stability are improved concurrently. The optimized hard carbon showcased a high reversible specific capacity of 313.4 mAh g–1 at 100 mA g–1, a commendable ICE of 84.8%, and excellent cycling stability with a capacity retention of 308.4 mAh g–1 after 100 cycles. In short, this research introduces a cost-effective method for producing anode materials for SIBs and highlights a sustainable pathway for biomass utilization, underscoring mutual benefits for the energy and agricultural sectors.
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