NCM綜述|廣東工業大學邱學青/張文禮教授：生物質基炭負極材料在鈉離子電池中的應用

背景內容

鈉離子電池（SIBs）具有鈉資源豐富，鈉的氧化還原電位低（E_0Na+/Na?=-2.71 V vs E_0Li+/Li=-3.04 V）等優點，有望替代鋰離子電池在中/大規模能源存儲系統中應用。碳質材料較合金型/轉化型材料表現出優良的結構穩定性、可控的多孔結構和高的比表面積等特性，被認為是實用前景較大的鈉離子電池負極材料。隨著鈉離子電池的商業化，利用可持續生物質資源開發高性能炭負極材料已成為制造低成本鈉離子電池的重要策略。然而，生物質基炭負極材料與鈉離子儲存間的構效關系尚未得到廣泛的研究與總結，如何通過構建生物質基炭負極材料的結構以提高其儲鈉性能，將是商業化鈉離子電池發展的重要挑戰。

主要內容

廣東工業大學邱學青、張文禮教授團隊長期從事木質纖維素的高值化利用、碳質材料的制備工藝、碳電極材料的儲能機理和儲能器件（鈉離子、鉀離子電池，超級電容器，水系儲能器件等）等方面的研究工作，近期在《新型炭材料（中英文）》(New Carbon Materials)上發表了題為“Biomass-derived carbon anodes for sodium-ion batteries”的綜述文章。該文綜述了以生物質廢棄物為原料制備先進炭負極材料用于鈉離子電池的最新進展（圖1）。首先，系統地討論了炭負極儲鈉機制的歷史觀點，以明確其構效關系。其次，介紹了炭材料的孔結構設計、雜原子摻雜、晶體結構控制和形貌調控等策略可以有效地提高生物質基炭負極的儲鈉性能。最后，從合成方法、微觀結構和生產成本的角度，展望了生物質基炭負極材料用于商業化鈉離子電池的未來研究方向和挑戰。

圖1?圖文摘要

理解鈉離子存儲機制將利于開發高性能的生物質基炭負極材料。如圖2所示，鈉離子存儲機制可分為5種模型，包括插入-填充模型、吸附-插入模型、吸附-填充模型、吸附-插入-填充模型以及吸附/插入-填充模型。雖然鈉離子的電荷儲存機制尚不明確，但可以確定封閉孔隙填充是重要的電荷儲存機制，有助于提高平臺容量；大的層間間距利于鈉離子在炭層中快速擴散；豐富的缺陷可以為鈉離子提供大量的活性位點。

圖2?鈉離子在炭負極中的存儲機制

另外，本文討論了多孔炭、雜原子摻雜炭、硬炭、納米結構炭和不同生物質衍生炭在鈉離子電池負極中的應用。基于微觀結構與鈉離子存儲性能之間的結構-性能關系，選擇具有特定區域、生長周期短的生物質作為高性能炭負極的前體是可行的，這將明顯消除生物質衍生炭材料的微觀結構（如晶區、層間間距、納米型等）異質性。

圖3?生物質衍生炭負極在實際鈉離子電池應用中的方向和挑戰

總結與展望

為了開發生物質衍生炭負極材料，炭化溫度的優化與硬炭微觀結構的調節是當前需要解決的問題。從合成方法、微觀結構、生產和應用4個方面總結了硬炭負極的未來發展趨勢。首先需要保證炭前驅體的純度。水熱炭化可以克服不同的栽培環境、物種和氣候所導致的生物質組分分布差異，保持碳骨架均勻。另外，重點關注炭負極的微觀結構（如封閉孔、層間間距與缺陷等）調控，有利于提高鈉離子存儲性能。硬炭負極的制備也須遵循綠色化學原理，采用低溫炭化工藝將利于低成本的工業化應用，期間應用于結構調節的化學品也應得到回收。此外，鈉離子電池未來主要應用于大型電化學儲能系統，應與鉛酸電池競爭，而非鋰離子電池。

文章信息

HUANG Si, QIU Xue-qing, WANG Cai-wei, ZHONG Lei, ZHANG Zhi-hong, YANG Shun-sheng, SUN Shi-rong, YANG Dong-jie, ZHANG Wen-li. Biomass-derived carbon anodes for sodium-ion batteries. New Carbon Mater., 2023, 38(1): 40-72. doi: 10.1016/S1872-5805(23)60718-8.

閱讀原文：

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(23)60718-8

?

通訊作者簡介

張文禮，博士，教授，博士生導師，廣東工業大學特聘教授，國家海外高層次青年人才，輕工化工學院、先進制造學院教師，主要從事木質纖維素衍生炭電極材料及其工業應用（炭電極材料、綠色化工、電催化和電化學儲能等）的研究，在Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Engineering Science, Nano Energy, Energy Storage Materials, Small Methods, Eelectrochemical Energy Reviews, Carbon Research和EnergyChem等期刊發表學術論文120余篇，其中ESI高被引論文10篇，被引用5500余次，h指數39，獲得由保加利亞科學院電化學與能源系統研究所頒發的2021年德切科·巴甫洛夫（“Prof. Detchko Pavlov”）青年科學家獎，入選2022年中華環保基金會能源與環境青年人才培養計劃，擔任Advanced Powder Materials 期刊的特邀編委，Frontiers in Energy Research編委，Carbon Research，Green Energy and Resources，《物理化學學報》等期刊的青年編委。

?

期刊信息

《新型炭材料（中英文）》??????

SCI-E、EI收錄期刊與中文核心期刊

影響因子：3.7（2021年度）

國內官網：http://xxtcl.sxicc.ac.cn/

國際版主頁：https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

聯系電話： 0351-2025254

郵 ???箱：?xxtcl@sxicc.ac.cn?

tcl@sxicc.ac.cn??

?????????????????????????????

《新型炭材料（中英文）》公眾號??????????????