中国粉体网讯 生物质材料在中国的分布十分广泛，对土地产生的污染小，而且是一种成本低且可循环利用的资源。近年来，生物质材料作为一种可再生资源在碳质材料的制备中受到广泛关注。天然生物质材料通常具有丰富的微观结构，这为制备不同结构的碳材料提供了可能。另外，将生物质衍生碳用于锂离子电池负极材料时，此类材料也有很好的表现，例如较高的容量、良好的倍率性能和循环稳定性等等。
在众多生物质材料中，小麦、玉米秸秆较为常见。我国每年都会产生大量的小麦、玉米秸秆废弃物，这些秸秆有的被当作柴火使用，有的被直接遗弃在田间自然降解，有的在田间被焚烧处理，有的被用作造纸、饲料和肥料。如果对秸秆的处理方式不当，不仅容易导致资源浪费，而且还有可能对环境产生污染。随着国家对生态环境的重视，将生物质材料用于电化学领域的探究越来越受到关注。如果能将小麦、玉米秸秆合理的应用于锂离子电池材料领域，既能实现生物质废弃物的资源化，也可以为高容量负极碳材料制备提供一种新的环保思路。
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1、小麦、玉米秸秆材料结构
小麦秸秆的主要成分有纤维素、半纤维素、木质素、金属离子和杂质等。纤维素是一种多糖，通常与半纤维素、木质素结合在一起存在于植物当中。纤维素分子利用氢键聚集在一起形成束状纤维，而半纤维素和木质素分子积聚在纤维束中。小麦秸秆中的纤维素扭曲团聚在一起形成主干纤维，半纤维素与木质素在主干纤维之间充当交联剂，最终使小麦秸秆维持管状形态并具有一定强度。
玉米秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、灰分和脂类等小分子物质。玉米秸秆纤维素含量为30-40%，半纤维素含量为25-30%，木质素含量为10%。此外，玉米秸秆皮中的木质素具有高度交联的三维骨架以便在纤维素周围形成保护层。具有海绵状形态的玉米秸秆芯具备丰富的天然多孔结构，可用于获得高比表面积和多孔结构。玉米秸秆中具有丰富的纤维素，使其可以作为合成良好电化学性能碳材料的优良生物质来源。
小麦、玉米秸秆结构图
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2、小麦、玉米秸秆碳化材料研究现状
（1）小麦秸秆碳化材料
目前，生物质碳材料在锂离子电池领域的应用研究已有不少进展。其中小麦秸秆作为一种优质的生物质材料也得到广泛研究。Cheng等采用KOH活化法制备了小麦秸秆生物质活性碳材料。将具有1066m2g-1的大BET比表面积活性碳合成小麦秸秆碳（WSC）@S复合材料作为Li-S电池的负极。结果显示该电极材料具有优异的电化学性能。Chen等使用KOH活化小麦秸秆制备出分级多孔富氮碳（HPNC），氮源为结构中的天然粗蛋白，结果表明材料的氮含量高达5.13%。HPNC用作锂离子电池负极时，在18.5Ag-1和37Ag-1的电流倍率下具有344mAhg-1和198mAhg-1的稳定容量。Kong等得到了分布在麦秸（WS）碳上的纳米SnO2颗粒作为锂离子电池负极材料。其独特的一维多孔结构为SnO2在充放电过程的结构变化提供了环境，有利于解决金属氧化物负极严重的结构塌陷问题。Zhou等开发了一种简便方法，通过组合水热和石墨化方法从小麦中合成高质量的石墨烯片，得到的石墨烯片具有90.7%的高石墨化，石墨层间距达到0.3362nm，应用于锂离子电池时，在0.1C电流密度表现出502mAhg-1的放电比容量，同时具备较好的倍率性能和循环性能，且充放电电压滞后不明显。
（2）玉米秸秆碳化材料
LiChun等将玉米秸秆在惰性气体环境下预碳化，再使用KOH溶液进行活化，制备出比表面积高达1266m2g-1的新型介孔活性碳。这种介孔活性碳负极具有较高的可逆容量，在电流密度为0.2C下循环100圈后，放电比容量为504mAhg-1，在电流密度为5C的大电流密度下，介孔活性碳负极的放电比容量仍达到275mAhg-1。Yuan等通过玉米秸秆的碳化，人工合成了一种新型的层片状碳（SSC）。通过简单的浸渍和热处理将活性硫嵌入SSC中，以合成硫/堆叠片状碳（S/SSC)复合材料。作为Li/S电池的负极，该硫/堆叠片状碳（S/SSC）复合材料电极在电流密度为0.2C时提供的初始放电容量为965mAhg-1，在超过100次充放电循环中容量保持为743mAhg-1。即使在0.2C的倍率下，带有S/SSC复合负极的锂电池依然表现出优异的大电流放电能力，提供了418mAhg-1高度可逆的放电比容量。Xu等将玉米秸秆用作具有理想多孔纳米结构的碳主体基质，制备纯相高性能LiFePO4/C和Li2FeSiO4/C纳米复合材料。此复合材料在经过500次循环后获得了158mAhg-1的可逆比容量。Li等以玉米秸秆为原料，CaCl2为活化剂，制备了多孔生物质碳。在600℃下所得样品的比表面积为370.6m2g-1，平均孔径为9.65nm。将该样品用作锂离子电池负极材料，在0.2C倍率下循环100次后其放电比容量为783mAhg-1，在10C倍率下循环1000次后比容量为347mAhg-1，表明样品具有良好的倍率性能和循环稳定性。该方法制备的样品具有较大的比表面积，能够提高电解液的渗透率和增加反应活性位点，而且丰富的孔结构增大了锂离子和电荷的自由运动空间，有利于电化学性能的提高。
小结
目前，锂离子电池负极材料以石墨为主。小麦、玉米秸秆作为一种农业废弃物，如果能够利用此类秸秆基碳材料作为锂离子电池负极材料，不仅可以实现废弃资源的再利用，而且也能够利用一种环境友好的方法获得负极材料，此可谓是一种一举多得的资源有效利用方案。
参考来源：
1、王晶晶.玉米秸秆基负极碳材料的制备及其电化学性能研究
2、苏勃仑.高压下秸秆的碳化行为以及作为锂离子电池负极材料研究
3、白佩明.小麦秸秆纤维素碳在锂离子电池负极材料中的应用
4、闫鹏.小麦秸秆生物质碳的制备及其储能材料应用研究
5、李纯.玉米秸秆基生物质碳材料的制备及其电化学性能研究
（中国粉体网编辑整理/文正）
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