邱健蓄电池生物炭还是活性生物炭用于电池？揭示硬木废弃物在锂离子与钠离子体系中的电化学潜力

化石燃料对环境的有害影响，尤其是二氧化碳（CO₂）₂为应对温室气体排放问题，开发先进储能设备等清洁能源技术势在必行。本研究探究了硬木废弃物衍生生物炭及其活化形式作为锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）负极材料的应用性能。实验结果表明，蒸汽活化处理对提升生物炭在LIBs中的电化学性能影响有限。值得注意的是，未经活化的木质生物炭在SIBs中表现出更优异的性能，在0.5 A/g电流密度下经过850次循环后，其容量（72 mA h/g）达到活化样品（33 mA h/g）的近两倍。该研究强调了优化石墨化层等材料特性的重要性-通过调控孔隙间距、比表面积、石墨化程度及元素组成等关键参数，可提升不同化学体系电池的性能表现。需特别指出的是，活性生物炭的制备过程需要消耗大量能源、燃料费和化学试剂，导致资源消耗与成本显著上升。因此，未经处理的原始生物炭展现出更优的经济可行性和环境友好性。本研究主张全面理解生物炭特性及其对电化学性能的影响机制，强调应根据具体应用需求对生物炭进行定向设计，而非仅聚焦于原料种类的选择。-spacing, specific surface area, graphitization order, and elemental composition, to improve battery performance across different chemistries. It is crucial to note that activated biochar production demands significant energy, gas, and chemical inputs, leading to increased resource consumption and costs. Therefore, unprocessed biochar presents a more viable and environmentally friendly alternative. This study advocates a comprehensive understanding of biochar properties and their impact on electrochemical performance, emphasizing the engineering of biochar to meet specific application needs rather than focusing solely on feedstock types.

图文摘要

引言

当前对锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）最优电极材料的探索任务仍在持续，旨在提升电化学性能的同时降低成本。针对锂离子电池与钠离子电池改进电极材料的研发任务正在推进，其目标是在控制成本的前提下优化性能[[1], [2], [3], [4]]。在此背景下，可循环利用的可再生生物质衍生材料作为可持续且经济可行的高性能电极候选材料，正获得越来越多的关注。
近几十年来，生物质衍生碳质材料（尤其是生物炭）已在催化电极、电容器及SIBS/LIBs电极等多个领域展现出广泛的应用潜力[1,2,[5], [6], [7], [8]]。通过水蒸气或二氧化碳对生物炭进行物理活化₂作为提升其结构和电化学性能的关键工艺，该过程使其成为一种高效的能量存储材料[[9], [10], [11], [12]]。这种方法可显著增加比表面积和孔隙率，同时改善导电性和表面化学性质[9,13,14]。这些优化对提升生物炭在电池和超级电容器中的性能具有决定性作用[2]，能够促进高效电荷存储并实现快速充放电循环[11,15,16]。然而，我们前期的研究表明这些改进并非具有普适性。虽然未经改性的生物炭可能在特定体系中表现出更优性能[17]，但活化处理在其他系统中可产生显著增强效果[11]。因此，必须全面理解活化与非活化生物炭的特性差异，及其对特定电化学储能装置的影响。为满足特定应用需求而定制生物炭特性时，需对其活化状态及与其他系统组分的相互作用进行细致考量。本研究利用蒸汽活化技术提升木材衍生生物炭的孔隙率并调控其化学性质，充分发挥其环境友好特性。将木材生物炭（WB）与蒸汽活化木材生物炭（SAWB）分别应用于两种主流储能装置（锂离子电池LIBs与钠离子电池SIBs），以评估活化处理对系统性能的影响。木质基废弃物因其悠久的使用历史和在不同电化学系统中已证实的潜力，被选作储能应用的基准材料[18]。作为自然界中储量最丰富的可再生生物质材料，木材具有可持续性、储量大和可生物降解的特性[19]。大量研究阐明了其独特的结构与性质，使其成为生产生物炭及后续活化处理的理想候选材料[20,21]。通过结合木材的固有优势与蒸汽活化技术的增强效应，预计将显著提升生物炭在储能装置中的性能表现。与普遍假设[[22], [23], [24]]相反，我们的研究结果对"活化处理能均质提升锂/钠电池性能"的观点提出了挑战。虽然活化确实能提升锂离子电池的容量，但通过对长循环周期内稳定性和性能的精细化评估发现，WB生物炭展现出更优异的综合性能。尤其值得注意的是，WB在钠离子电池（SIBs）中同时实现了容量提升和循环耐久性的增强。必须着重指出，活化生物炭的生产相较于未改性生物炭需要更高的能源、燃料费和化学试剂投入，从而导致资源消耗和财务成本上升。从环境角度来看，未经处理的生物炭因其更低的生态足迹似乎是一种具有前景的替代方案，但需在商业化与大规模应用前进行审慎评估。