中国粉体网讯 负极材料对于锂离子电池的电化学性能至关重要。近年来，生物碳由于高丰度、可再生、低成本和高孔隙率等特性，作为锂离子电池负极材料被广泛研究。
生物质衍生碳材料
生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。生物质在我们日常生活中随处可见。
生物质衍生碳是指由富含碳的生物质，例如油料植物、木材、城市和工业废弃物等通过加工而成的碳产物。这些生物质碳材料主要是通过生物质热解碳化得到，并且所得的碳材料主要是碳元素组成。
由生物质制备生物质衍生碳通常具有下列优点：
(1)生物质价格便宜、来源广范，可以通过植物的光合作用或间接生产，是一种可再生的原料；
(2)生物质具有特殊的微观结构，在制备碳材料的时候可以部分保留下来，便于控制其孔道结构；
(3)制备出的生物质衍生碳具有良好的化学稳定性、高导电性、含有丰富的含氧官能团(-COOH和-OH)；
(4)大部分生物质还有很多的杂原子(N、S、O等)，在制备碳材料的同时可以实现原位的掺杂，杂原子掺杂后在一定程度上能提升碳材料的导电性或在材料表面/体相制造更多的缺陷。
生物质衍生碳材料的应用
生物质衍生多孔碳材料因其比表面积大、孔结构复杂以及导电性优良的特性，被广泛用作超级电容器、锂离子电池和钠离子电池等新型储能器件的电极材料。例如，稻壳、苹果、甘蔗渣等生物质经过高温碳化过程合成的碳基材料应用于钠离子电池都获得了较高可逆容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性能。
生物质衍生碳基材料的构建及其储钠机理流程图
相比于石墨，生物质衍生碳在原料来源和成本方面更具优势。例如Adams等以火炬松树的木片作为原料，氢氧化钾作为活化剂，通过工业热解工艺制备了另一种多孔碳材料，这种多孔碳拥有1580m2/g的比表面积和0.883cm3/g的孔体积。作为锂离子电池负极材料时，在10C的充放电倍率下分别在22和50℃时拥有700和1000mAh/g的比容量，这远高于石墨的理论比容量。
生物质类型的选择首先决定了生物碳的形态和性质。而通过直接碳化获得的生物质碳往往具有较小的表面积。为了改善其作为锂离子电池负极材料的性能，经常需要进行适当的改性以增加比表面积、杂原子和缺陷含量等。比表面积增大的碳薄片增加了与电解质的接触面积，缩短了离子的扩散距离。较高的介孔体积有利于离子通过碳孔网络快速传输。Niu等以牛骨为原材料，在没有添加任何活化剂或者模板的条件下，于1100℃直接碳化制备出了氮掺杂的多孔碳。其中的氮掺杂来源于牛骨中含有的大量氮元素，而多孔结构源自于牛骨本身含有的羟基磷灰石在碳化中的自活化。
经过表征，该材料拥有高达5141S/m的电导率、2096m2/g的高比表面积和1.829cm3/g的孔体积，形成了孔径在4nm左右的介孔结构。其独特的缺陷和多孔结构也赋予了该材料十分优异的电化学性能，在1A/g的电流密度下进行250次充放电循环后获得了1488mAh/g的可逆比容量。当电流密度提高到10A/g后，在1500个充放电循环后依旧能保持661mAh/g的可逆比容量。甚至当电流密度增大到30A/g后，其可逆比容量仍有281mAh/g，说明该材料拥有很好的倍率性能。
此外，为了能进一步提升锂离子电池负极材料的能量密度、功率密度和循环性能，将碳材料与其他高比容量材料复合已经被证明是一种富有潜力的方法。生物碳基复合材料作为锂离子电池负极材料具有较好前景。
2023年10月25-26日，由中国粉体网主办的“第二届先进负极材料技术与产业高峰论坛”将于广东东莞举办。届时沈阳工业大学王鹏飞将作《生物质衍生碳作为锂离子电池负极材料的研究》报告，详细阐述生物质衍生碳作为锂离子电池负极材料的应用现状。
专家简介：
王鹏飞，男，硕士生导师，工学博士。1995年生，2012-2021年本硕博连读于哈尔滨工程大学。博士期间作为第一作者发表生物质碳相关文章七篇，累计影响因子64；其中两篇被选为封面文章，一篇获得编辑精选奖。2021年入职沈阳工业大学，先后作为第一作者和通讯作者发表多篇锂离子电池负极材料文章，其中一篇高被引热点论文。研究领域为锂离子电池负极材料、锂/锌金属负极保护等，尤其擅长生物质碳改性。目前在进行锌金属负极保护相关研究。
参考资料：
李镕臣等.锂离子电池生物碳负极材料的制备及应用进展
苑雪等.生物质衍生碳基材料在钠离子电池负极中的应用
张大伟.生物质衍生炭作为锂离子电池负极材料性能的研究
（中国粉体网编辑整理/黑金）
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