中國粉體網訊 負極材料對于鋰離子電池的電化學性能至關重要。近年來，生物碳由于高豐度、可再生、低成本和高孔隙率等特性，作為鋰離子電池負極材料被廣泛研究。
生物質衍生碳材料
生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物。生物質在我們日常生活中隨處可見。
生物質衍生碳是指由富含碳的生物質，例如油料植物、木材、城市和工業(yè)廢棄物等通過加工而成的碳產物。這些生物質碳材料主要是通過生物質熱解碳化得到，并且所得的碳材料主要是碳元素組成。
由生物質制備生物質衍生碳通常具有下列優(yōu)點：
(1)生物質價格便宜、來源廣范，可以通過植物的光合作用或間接生產，是一種可再生的原料；
(2)生物質具有特殊的微觀結構，在制備碳材料的時候可以部分保留下來，便于控制其孔道結構；
(3)制備出的生物質衍生碳具有良好的化學穩(wěn)定性、高導電性、含有豐富的含氧官能團(-COOH和-OH)；
(4)大部分生物質還有很多的雜原子(N、S、O等)，在制備碳材料的同時可以實現原位的摻雜，雜原子摻雜后在一定程度上能提升碳材料的導電性或在材料表面/體相制造更多的缺陷。
生物質衍生碳材料的應用
生物質衍生多孔碳材料因其比表面積大、孔結構復雜以及導電性優(yōu)良的特性，被廣泛用作超級電容器、鋰離子電池和鈉離子電池等新型儲能器件的電極材料。例如，稻殼、蘋果、甘蔗渣等生物質經過高溫碳化過程合成的碳基材料應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。
生物質衍生碳基材料的構建及其儲鈉機理流程圖
相比于石墨，生物質衍生碳在原料來源和成本方面更具優(yōu)勢。例如Adams等以火炬松樹的木片作為原料，氫氧化鉀作為活化劑，通過工業(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。作為鋰離子電池負極材料時，在10C的充放電倍率下分別在22和50℃時擁有700和1000mAh/g的比容量，這遠高于石墨的理論比容量。
生物質類型的選擇首先決定了生物碳的形態(tài)和性質。而通過直接碳化獲得的生物質碳往往具有較小的表面積。為了改善其作為鋰離子電池負極材料的性能，經常需要進行適當的改性以增加比表面積、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的接觸面積，縮短了離子的擴散距離。較高的介孔體積有利于離子通過碳孔網絡快速傳輸。Niu等以牛骨為原材料，在沒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。其中的氮摻雜來源于牛骨中含有的大量氮元素，而多孔結構源自于牛骨本身含有的羥基磷灰石在碳化中的自活化。
經過表征，該材料擁有高達5141S/m的電導率、2096m2/g的高比表面積和1.829cm3/g的孔體積，形成了孔徑在4nm左右的介孔結構。其獨特的缺陷和多孔結構也賦予了該材料十分優(yōu)異的電化學性能，在1A/g的電流密度下進行250次充放電循環(huán)后獲得了1488mAh/g的可逆比容量。當電流密度提高到10A/g后，在1500個充放電循環(huán)后依舊能保持661mAh/g的可逆比容量。甚至當電流密度增大到30A/g后，其可逆比容量仍有281mAh/g，說明該材料擁有很好的倍率性能。
此外，為了能進一步提升鋰離子電池負極材料的能量密度、功率密度和循環(huán)性能，將碳材料與其他高比容量材料復合已經被證明是一種富有潛力的方法。生物碳基復合材料作為鋰離子電池負極材料具有較好前景。
2023年10月25-26日，由中國粉體網主辦的“第二屆先進負極材料技術與產業(yè)高峰論壇”將于廣東東莞舉辦。屆時沈陽工業(yè)大學王鵬飛將作《生物質衍生碳作為鋰離子電池負極材料的研究》報告，詳細闡述生物質衍生碳作為鋰離子電池負極材料的應用現狀。
專家簡介：
王鵬飛，男，碩士生導師，工學博士。1995年生，2012-2021年本碩博連讀于哈爾濱工程大學。博士期間作為第一作者發(fā)表生物質碳相關文章七篇，累計影響因子64；其中兩篇被選為封面文章，一篇獲得編輯精選獎。2021年入職沈陽工業(yè)大學，先后作為第一作者和通訊作者發(fā)表多篇鋰離子電池負極材料文章，其中一篇高被引熱點論文。研究領域為鋰離子電池負極材料、鋰/鋅金屬負極保護等，尤其擅長生物質碳改性。目前在進行鋅金屬負極保護相關研究。
參考資料：
李镕臣等.鋰離子電池生物碳負極材料的制備及應用進展
苑雪等.生物質衍生碳基材料在鈉離子電池負極中的應用
張大偉.生物質衍生炭作為鋰離子電池負極材料性能的研究
（中國粉體網編輯整理/黑金）
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