Assembly and electrochemical testing of renewable carbon-based anodes in SIBs: a practical guide

Sodium-ion batteries (SIBs) are considered as a promising candidate to replace lithium-ion batteries (LIBs) in large-scale energy storage applications. Abundant sodium resources and similar working principles make this technology attractive to be implemented in the near future. However, the development of high-performance carbon anodes is a focal point to the upcoming success of SIBs in terms of power density, cycling stability, and lifespan. Fundamental knowledge in electrochemical and physicochemical techniques is required to properly evaluate the anode performance and move it in the right direction. This review aims at providing a comprehensive guideline to help researchers from different backgrounds (e.g., nanomaterials and thermochemistry) to delve into this topic. The main components, lab configurations, procedures, and working principles of SIBs are summarized. Moreover, a detailed description of the most used electrochemical and physicochemical techniques to characterize electrochemically active materials is provided

Using a Fixed-Bed of Wheat Straw-Derived Biochar to Enhance Cracking of a Mixture of Four Pyrolysis Vapor Model Compounds

The aim of this work is to test the capacity of a biochar-based porous material to enhance the cracking of pyrolysis vapors. Biochar is a sustainable material obtained from renewable resources and a relatively low cost alternative to the metal-containing catalysts used in catalytic cracking

Vine Shoots-Derived Hard Carbons as Anodes for Sodium-Ion Batteries: Role of Annealing Temperature in Regulating Their Structure and Morphology

Sodium‐ion batteries (SIBs) are considered one of the most promising large‐scale and low‐cost energy storage systems due to the abundance and low price of sodium. Herein, hard carbons from a sustainable biomass feedstock (vine shoots) were synthesized via a simple two‐step carbonization process at different highest temperatures to be used as anodes in SIBs. The hard carbon produced at 1200 °C delivered the highest reversible capacity (270 mAh g−1 at 0.03 A g−1, with an acceptable initial coulombic efficiency of 71 %) since a suitable balance between the pseudographitic domains growth and the retention of microporosity, defects, and functional groups was achieved. A prominent cycling stability with a capacity retention of 97 % over 315 cycles was also attained. Comprehensive characterization unraveled a three‐stage sodium storage mechanism based on adsorption, intercalation, and filling of pores. A remarkable specific capacity underestimation of up to 38 % was also found when a two‐electrode half‐cell configuration was employed to measure the rate performance. To avoid this systematic error caused by the counter/reference electrode polarization, we strongly recommend the use of a three‐electrode setup or a full‐cell configuration to correctly evaluate the anode response at moderate and high current rates

Physically activated wheat straw-derived biochar for biomass pyrolysis vapors upgrading with high resistance against coke deactivation

Wheat straw-derived biochars (produced through slow pyrolysis at 500 degrees C and 0.1 MPa) were physically (with CO2) and chemically (with K2CO3) activated to assess their performance as renewable and low-cost catalysts for biomass pyrolysis vapors upgrading. Preliminary cracking experiments, which were carried out at 700 degrees C using a mixture of four representative model compounds, revealed a clear correlation between the volume of micropores of the catalyst and the total gas production, suggesting that physical activation up to a degree of burn-off of 40% was the most interesting activation route. Next, steam reforming experiments were conducted using the most microporous material to analyze the effect of both the bed temperature and gas hourly space velocity (GHSV) on the total gas production. The results showed a strong dependence between the bed temperature and the total gas production, with the best result obtained at the highest temperature (750 degrees C). On the other hand, the change in GHSV led to minor changes in the total gas yield, with a maximum achieved at 14500 h(-1). Under the best operating conditions deduced in the previous stages, the addition of CO2 into the feed gas stream (partial pressure of 20 kPa) resulted in a total gas production of 98% with a H-2/CO molar ratio of 2.16. This good result, which was also observed during the upgrading of the aqueous phase of a real biomass pyrolysis oil, was ascribed to the relatively high coke gasification rate, which refresh the active surface area preventing deactivation by coke deposition

Rendimiento de carbones derivados de sarmiento como ánodos en baterías de iones de sodio: efecto de la temperatura de carbonización

Los carbones duros son uno de los principales candidatos para ser usados como material activo en los ánodos de las baterías de iones de sodio (SIBs). Para este estudio se han producido carbones duros a partir de sarmiento de vid (biomasa residual) mediante un proceso termoquímico de dos etapas: una pirólisis lenta a 500 °C seguida de otra carbonización en atmósfera inerte a mayor temperatura. El carbón obtenido a 1200 °C entregó la mayor capacidad reversible (270 mAh g–1 a 0.03 A g–1) gracias al equilibrio alcanzado entre la presencia de dominios pseudografíticos, defectos y grupos funcionales en superficie. Este trabajo presenta una ruta de preparación verde y sencilla para obtener carbones duros con una morfología y microestructura única y una prometedora actividad electroquímica

Hard carbons from waste hemp via hydrothermal carbonization with mil chemical activation for sodium–ion batteries

Owing to its wide availability and low cost, sodium-ion batteries (SIBs) appear as a very promising option for post-lithium energy storage systems. However, commercial graphite anodes used in lithium-ion batteries are not suitable for SIBs, due to a difficult insertion of sodium ions into the graphitic layers. Possible anode candidates focus on hard carbons (HCs). Here, HCs were synthesized from waste hemp hurd (WHH) via hydrothermal pretreatment (with either heteroatom doping or K2CO3 activation) and subsequent carbonization under Ar at 800 or 1000 °C. Regarding mild chemically activated HCs, the best material (exhibiting a 76% ICE and impressive reversible charge capacities of 354 and 77 mA h g–1 at 0.1 and 2 A g–1, respectively) was the carbon produced via hydrothermal preatretment in HCl aqueous solution and subsequently heated up to 1000 °C. However, poor cycling stability was observed for the last material, suggesting that some irreversible sodiation processes can take place

Desarrollo de materiales carbonosos a partir de biomasa agrícola residual para su aplicación en baterías de iones de sodio

La presente comunicación aborda el desarrollo y puesta en marcha de un sistema experimental para la fabricación y caracterización de ánodos carbonosos. Dicho sistema permite evaluar la capacidad y propiedades electroquímicas de los carbones derivados de biomasa residual para su uso como electrodo en baterías de iones de sodio. &nbsp

Vine shoot-derived hard carbons as promising anodes for sodium-ion batteries: valorization of pig manure as HTC solvent

Sodium-ion batteries (SIBs) are one of the most promising candidates to replace lithium-ion batteries (LIBs) in grid-scale energy storage applications. The design of high-performance anodes and the fully understanding of the sodium storage mechanisms are the main bottleneck to overcome. Herein, a vine shoot-based hard carbon anode was synthesized via hydrothermal carbonization followed by a pyrolysis step (800 to 1200 °C). In addition to water, pig manure and diluted hydrochloric acid were tested as reaction media

Desarrollo de materiales carbonosos a partir de biomasa agrícola residual para su aplicación en baterías de iones de sodio

La presente comunicación aborda el desarrollo y puesta en marcha de un sistema experimental para la fabricación y caracterización de ánodos carbonosos. Dicho sistema permite evaluar la capacidad y propiedades electroquímicas de los carbones derivados de biomasa residual para su uso como electrodo en baterías de iones de sodio. &nbsp

Adición de catalizadores de bajo coste durante la pirólisis de alperujo para la mejora de la producción de biochar y la calidad del gas generado

El alperujo, subproducto procedente de la extracción del aceite de oliva, se destina tras su secado a la cogeneración de energía eléctrica y térmica mediante combustión. Sin embargo, una alta producción, de aproximadamente 4 millones de toneladas anuales en España, y los problemas de gestión generados por su fitotoxicidad y textura semisólida, hacen necesaria la búsqueda de alternativas para la valorización de este subproducto. El presente estudio contempla la pirólisis lenta de esta biomasa para la obtención de un biochar de alta estabilidad, producto que proporciona beneficios ambientales gracias a la retención de CO2, mejora en las propiedades de los suelos agrícolas y remediación de suelos contaminados. Con los ensayos realizados en termobalanza se ha determinado que una temperatura final de 600 C es la mejor alternativa para la producción de un biochar de alta estabilidad potencial (alto porcentaje en carbono fijo y alto rendimiento a carbono fijo). Además, con los ensayos realizados en el reactor de pirólisis presurizado, se ha evidenciado un efecto positivo de la presión, ya que un aumento de esta variable favorece las reacciones secundarias y como consecuencia un aumento en el contenido de carbono fijo en el char resultante, un mejor rendimiento a gas de pirólisis y una disminución en la producción de alquitranes. Por otro lado, se ha estudiado la adición de metales alcalinos (K2CO3) y alcalinotérreos (CaO) a la pirólisis de alperujo para analizar el efecto catalítico en el proceso y en el rendimiento y composición de las fracciones de producto obtenidas. En esta línea, también se ha analizado el comportamiento del residuo sólido (un rechazo generado en una planta de tratamiento mecánico-biológico de residuos sólidos urbanos), como potencial catalizador. La adición de aditivos, incluido el residuo sólido, ha evidenciado una mejora en la estabilidad potencial del biochar, así como en la composición del gas generado (aumento del contenido de hidrógeno y metano). Con la adición de estos materiales, el efecto de la presión no es tan importante como en el caso de la pirólisis de alperujo sin aditivos. Por lo tanto, la conclusión más importante del presente trabajo es que el uso de aditivos permite la producción de un biochar de elevada estabilidad potencial sin necesidad de trabajar a presión, con la consiguiente reducción de costes. Al mismo tiempo, se abre una posibilidad importante para la valorización de un rechazo generado en el tratamiento de RSU que actualmente supone un grave problema de gestión medioambiental