KERI利用微波技术快速制备硬碳阳极用于钠离子电池

硬碳在自然界中不存在，因此必须人工合成。在硬碳材料的合成中前驱体一般由树脂、生物质、和煤基等富氧物质（或缺氢材料）。制备过程相对复杂，在超过1000 ℃的温度下将此前驱体进行烧结而成硬碳。由于这些高温热解过程涉及到有机组分的分解和碳的生成，因此该过程也被称为“碳化”过程。而这种“碳化”过程一直是钠离子电池商业化的关键障碍。

在碳化过程中，碳化温度的控制非常关键且必不可少的。这是因为温度对硬碳材料的结构和性能有着决定性的影响。一般来说，提高碳化温度是减少缺陷的有效方法，但是过高的温度会促进硬碳材料过度石墨化，从而带来比容量和钠离子扩散势垒方面的不利影响。

由 Kim 博士和 Park 博士领导的团队提出了一种利用微波技术的快速加热的方法，这种技术我们在厨房的微波炉中很容易找到。该团队首先通过将聚合物与少量高导电性碳纳米管混合制成薄膜。然后，他们将微波磁场施加到薄膜上以在碳纳米管中感应出电流，在短短 30 秒内将薄膜有选择性地加热到 1,400°C 以上。

经过多年的研究，KERI 开发出一种利用微波磁场对金属等导电薄膜进行均匀热处理的技术。该技术在显示器和半导体等工业过程中引起了广泛关注。

据悉，KERI 的纳米混合技术研究中心被公认为韩国领先的碳纳米材料技术中心。Kim 博士和 Park 博士利用该中心的能力，进军钠离子电池负极材料领域，并取得了可喜的成果。

此外，该方法得以成功的关键在于团队自主研发的“多物理场模拟”技术，对微波频段电磁场作用于纳米材料时发生的复杂过程有了深刻理解，并由此创造出一种制备钠离子电池负极材料的新工艺。

该研究发表在《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）上。该论文的共同第一作者是 Geongbeom Ryoo 和 Jiwon Shin，他们都是 KERI 学术研究合作研究项目的学生研究员。（论文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724055700?via%3Dihub）

具体来看，该团队开发了一种简便的方法，通过一种用于聚合物/单壁碳纳米管 (SWCNT) 薄膜的新型微波感应加热 (MIH) 工艺来制造钠离子电池的硬碳负极材料。其中，解决电磁场和传热问题的数值模拟揭示了 MIH 机制；施加的微波引起的电流使复合膜中的 SWCNT 网络能够直接焦耳加热。

因此，复合膜可以加热到目标温度 (800-1400 °C)，并且仅通过施加 30 秒的 MIH 即可制备独立的 HC/SWCNT 负极。比较分析证实，超快 MIH 是一种可靠的生产硬碳负极的技术，可以取代需要高温炉的传统碳化工艺。此外，超快MIH制备的HC/SWCNT负极已成功应用于钠离子电池。

最后，通过该团队使用大于谐振器的圆形薄片进行局部加热测试，验证了MIH可扩展的卷对卷生产硬碳负极的可行性。

总体而言，复合薄膜的新型微波感应加热 (MIH)有望有助于硬碳负极的大规模生产，这对于钠离子电池的商业化至关重要。

Jong Hwan Park 博士表示，由于最近发生的电动汽车起火事件，人们对更安全、在寒冷条件下也能正常工作的钠离子电池越来越感兴趣。然而，负极的碳化过程在能效和成本方面一直是一个明显的缺点。Daeho Kim 博士补充表示，他们研究的微波感应加热技术能够快速、简便地制备硬碳，也将有助于钠离子电池的商业化。

目前，KERI 已经完成专利申请，预计这项技术将吸引储能材料领域公司的极大兴趣，并有望与潜在的行业合作伙伴达成技术转让协议。

未来，该团队计划继续致力于提高负极材料的性能，并开发大面积硬碳膜的连续量产技术。他们还看到了微波感应加热技术在其他领域的应用潜力，例如需要高温烧结的全固态电池，这值得进一步研究。

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