NCM综述|广东工业大学邱学青/张文礼教授：生物质基炭负极材料在钠离子电池中的应用
背景内容
钠离子电池（SIBs）具有钠资源丰富，钠的氧化还原电位低（E0Na+/Na =-2.71 V vs E0Li+/Li=-3.04 V）等优点，有望替代锂离子电池在中/大规模能源存储系统中应用。碳质材料较合金型/转化型材料表现出优良的结构稳定性、可控的多孔结构和高的比表面积等特性，被认为是实用前景较大的钠离子电池负极材料。随着钠离子电池的商业化，利用可持续生物质资源开发高性能炭负极材料已成为制造低成本钠离子电池的重要策略。然而，生物质基炭负极材料与钠离子储存间的构效关系尚未得到广泛的研究与总结，如何通过构建生物质基炭负极材料的结构以提高其储钠性能，将是商业化钠离子电池发展的重要挑战。
主要内容
广东工业大学邱学青、张文礼教授团队长期从事木质纤维素的高值化利用、碳质材料的制备工艺、碳电极材料的储能机理和储能器件（钠离子、钾离子电池，超级电容器，水系储能器件等）等方面的研究工作，近期在《新型炭材料（中英文）》(New Carbon Materials)上发表了题为“Biomass-derived carbon anodes for sodium-ion batteries”的综述文章。该文综述了以生物质废弃物为原料制备先进炭负极材料用于钠离子电池的最新进展（图1）。首先，系统地讨论了炭负极储钠机制的历史观点，以明确其构效关系。其次，介绍了炭材料的孔结构设计、杂原子掺杂、晶体结构控制和形貌调控等策略可以有效地提高生物质基炭负极的储钠性能。最后，从合成方法、微观结构和生产成本的角度，展望了生物质基炭负极材料用于商业化钠离子电池的未来研究方向和挑战。
图1 图文摘要
理解钠离子存储机制将利于开发高性能的生物质基炭负极材料。如图2所示，钠离子存储机制可分为5种模型，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。虽然钠离子的电荷储存机制尚不明确，但可以确定封闭孔隙填充是重要的电荷储存机制，有助于提高平台容量；大的层间间距利于钠离子在炭层中快速扩散；丰富的缺陷可以为钠离子提供大量的活性位点。
图2 钠离子在炭负极中的存储机制
另外，本文讨论了多孔炭、杂原子掺杂炭、硬炭、纳米结构炭和不同生物质衍生炭在钠离子电池负极中的应用。基于微观结构与钠离子存储性能之间的结构-性能关系，选择具有特定区域、生长周期短的生物质作为高性能炭负极的前体是可行的，这将明显消除生物质衍生炭材料的微观结构（如晶区、层间间距、纳米型等）异质性。
图3 生物质衍生炭负极在实际钠离子电池应用中的方向和挑战
总结与展望
为了开发生物质衍生炭负极材料，炭化温度的优化与硬炭微观结构的调节是当前需要解决的问题。从合成方法、微观结构、生产和应用4个方面总结了硬炭负极的未来发展趋势。首先需要保证炭前驱体的纯度。水热炭化可以克服不同的栽培环境、物种和气候所导致的生物质组分分布差异，保持碳骨架均匀。另外，重点关注炭负极的微观结构（如封闭孔、层间间距与缺陷等）调控，有利于提高钠离子存储性能。硬炭负极的制备也须遵循绿色化学原理，采用低温炭化工艺将利于低成本的工业化应用，期间应用于结构调节的化学品也应得到回收。此外，钠离子电池未来主要应用于大型电化学储能系统，应与铅酸电池竞争，而非锂离子电池。
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.
阅读原文：
http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(23)60718-8
通讯作者简介
张文礼，博士，教授，博士生导师，广东工业大学特聘教授，国家海外高层次青年人才，轻工化工学院、先进制造学院教师，主要从事木质纤维素衍生炭电极材料及其工业应用（炭电极材料、绿色化工、电催化和电化学储能等）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等期刊发表学术论文120余篇，其中ESI高被引论文10篇，被引用5500余次，h指数39，获得由保加利亚科学院电化学与能源系统研究所颁发的2021年德切科·巴甫洛夫（“Prof. Detchko Pavlov”）青年科学家奖，入选2022年中华环保基金会能源与环境青年人才培养计划，担任Advanced Powder Materials 期刊的特邀编委，Frontiers in Energy Research编委，Carbon Research，Green Energy and Resources，《物理化学学报》等期刊的青年编委。
期刊信息
《新型炭材料（中英文）》
SCI-E、EI收录期刊与中文核心期刊
影响因子：3.7（2021年度）
国内官网：http://xxtcl.sxicc.ac.cn/
国际版主页：https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials
联系电话： 0351-2025254
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