中國(guó)粉體網(wǎng)訊 負(fù)極材料對(duì)于鋰離子電池的電化學(xué)性能至關(guān)重要。近年來(lái)，生物碳由于高豐度、可再生、低成本和高孔隙率等特性，作為鋰離子電池負(fù)極材料被廣泛研究。
生物質(zhì)衍生碳材料
生物質(zhì)是指通過(guò)光合作用而形成的各種有機(jī)體，包括所有的動(dòng)植物和微生物。生物質(zhì)在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)。
生物質(zhì)衍生碳是指由富含碳的生物質(zhì)，例如油料植物、木材、城市和工業(yè)廢棄物等通過(guò)加工而成的碳產(chǎn)物。這些生物質(zhì)碳材料主要是通過(guò)生物質(zhì)熱解碳化得到，并且所得的碳材料主要是碳元素組成。
由生物質(zhì)制備生物質(zhì)衍生碳通常具有下列優(yōu)點(diǎn)：
(1)生物質(zhì)價(jià)格便宜、來(lái)源廣范，可以通過(guò)植物的光合作用或間接生產(chǎn)，是一種可再生的原料；
(2)生物質(zhì)具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，在制備碳材料的時(shí)候可以部分保留下來(lái)，便于控制其孔道結(jié)構(gòu)；
(3)制備出的生物質(zhì)衍生碳具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性、含有豐富的含氧官能團(tuán)(-COOH和-OH)；
(4)大部分生物質(zhì)還有很多的雜原子(N、S、O等)，在制備碳材料的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)原位的摻雜，雜原子摻雜后在一定程度上能提升碳材料的導(dǎo)電性或在材料表面/體相制造更多的缺陷。
生物質(zhì)衍生碳材料的應(yīng)用
生物質(zhì)衍生多孔碳材料因其比表面積大、孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及導(dǎo)電性優(yōu)良的特性，被廣泛用作超級(jí)電容器、鋰離子電池和鈉離子電池等新型儲(chǔ)能器件的電極材料。例如，稻殼、蘋(píng)果、甘蔗渣等生物質(zhì)經(jīng)過(guò)高溫碳化過(guò)程合成的碳基材料應(yīng)用于鈉離子電池都獲得了較高可逆容量、優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。
生物質(zhì)衍生碳基材料的構(gòu)建及其儲(chǔ)鈉機(jī)理流程圖
相比于石墨，生物質(zhì)衍生碳在原料來(lái)源和成本方面更具優(yōu)勢(shì)。例如Adams等以火炬松樹(shù)的木片作為原料，氫氧化鉀作為活化劑，通過(guò)工業(yè)熱解工藝制備了另一種多孔碳材料，這種多孔碳擁有1580m2/g的比表面積和0.883cm3/g的孔體積。作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，在10C的充放電倍率下分別在22和50℃時(shí)擁有700和1000mAh/g的比容量，這遠(yuǎn)高于石墨的理論比容量。
生物質(zhì)類型的選擇首先決定了生物碳的形態(tài)和性質(zhì)。而通過(guò)直接碳化獲得的生物質(zhì)碳往往具有較小的表面積。為了改善其作為鋰離子電池負(fù)極材料的性能，經(jīng)常需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男砸栽黾颖缺砻娣e、雜原子和缺陷含量等。比表面積增大的碳薄片增加了與電解質(zhì)的接觸面積，縮短了離子的擴(kuò)散距離。較高的介孔體積有利于離子通過(guò)碳孔網(wǎng)絡(luò)快速傳輸。Niu等以牛骨為原材料，在沒(méi)有添加任何活化劑或者模板的條件下，于1100℃直接碳化制備出了氮摻雜的多孔碳。其中的氮摻雜來(lái)源于牛骨中含有的大量氮元素，而多孔結(jié)構(gòu)源自于牛骨本身含有的羥基磷灰石在碳化中的自活化。
經(jīng)過(guò)表征，該材料擁有高達(dá)5141S/m的電導(dǎo)率、2096m2/g的高比表面積和1.829cm3/g的孔體積，形成了孔徑在4nm左右的介孔結(jié)構(gòu)。其獨(dú)特的缺陷和多孔結(jié)構(gòu)也賦予了該材料十分優(yōu)異的電化學(xué)性能，在1A/g的電流密度下進(jìn)行250次充放電循環(huán)后獲得了1488mAh/g的可逆比容量。當(dāng)電流密度提高到10A/g后，在1500個(gè)充放電循環(huán)后依舊能保持661mAh/g的可逆比容量。甚至當(dāng)電流密度增大到30A/g后，其可逆比容量仍有281mAh/g，說(shuō)明該材料擁有很好的倍率性能。
此外，為了能進(jìn)一步提升鋰離子電池負(fù)極材料的能量密度、功率密度和循環(huán)性能，將碳材料與其他高比容量材料復(fù)合已經(jīng)被證明是一種富有潛力的方法。生物碳基復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料具有較好前景。
2023年10月25-26日，由中國(guó)粉體網(wǎng)主辦的“第二屆先進(jìn)負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”將于廣東東莞舉辦。屆時(shí)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)王鵬飛將作《生物質(zhì)衍生碳作為鋰離子電池負(fù)極材料的研究》報(bào)告，詳細(xì)闡述生物質(zhì)衍生碳作為鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用現(xiàn)狀。
專家簡(jiǎn)介：
王鵬飛，男，碩士生導(dǎo)師，工學(xué)博士。1995年生，2012-2021年本碩博連讀于哈爾濱工程大學(xué)。博士期間作為第一作者發(fā)表生物質(zhì)碳相關(guān)文章七篇，累計(jì)影響因子64；其中兩篇被選為封面文章，一篇獲得編輯精選獎(jiǎng)。2021年入職沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，先后作為第一作者和通訊作者發(fā)表多篇鋰離子電池負(fù)極材料文章，其中一篇高被引熱點(diǎn)論文。研究領(lǐng)域?yàn)殇囯x子電池負(fù)極材料、鋰/鋅金屬負(fù)極保護(hù)等，尤其擅長(zhǎng)生物質(zhì)碳改性。目前在進(jìn)行鋅金屬負(fù)極保護(hù)相關(guān)研究。
參考資料：
李镕臣等.鋰離子電池生物碳負(fù)極材料的制備及應(yīng)用進(jìn)展
苑雪等.生物質(zhì)衍生碳基材料在鈉離子電池負(fù)極中的應(yīng)用
張大偉.生物質(zhì)衍生炭作為鋰離子電池負(fù)極材料性能的研究
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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