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【背景內(nèi)容】

鈉離子電池（SIBs）具有鈉資源豐富，鈉的氧化還原電位低（E0Na+/Na =-2.71VvsE0Li+/Li=-3.04V）等優(yōu)點，有望替代鋰離子電池在中/大規(guī)模能源存儲系統(tǒng)中應用。碳質(zhì)材料較合金型/轉(zhuǎn)化型材料表現(xiàn)出優(yōu)良的結(jié)構穩(wěn)定性、可控的多孔結(jié)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(yè)化，利用可持續(xù)生物質(zhì)資源開發(fā)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(zhì)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(jié)，如何通過構建生物質(zhì)基炭負極材料的結(jié)構以提高其儲鈉性能，將是商業(yè)化鈉離子電池發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。

【主要內(nèi)容】

廣東工業(yè)大學邱學青、張文禮教授團隊長期從事木質(zhì)纖維素的高值化利用、碳質(zhì)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）》(NewCarbonMaterials)上發(fā)表了題為“Biomass-derivedcarbonanodesforsodium-ionbatteries”的綜述文章。該文綜述了以生物質(zhì)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(tǒng)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(jié)構設計、雜原子摻雜、晶體結(jié)構控制和形貌調(diào)控等策略可以有效地提高生物質(zhì)基炭負極的儲鈉性能。最后，從合成方法、微觀結(jié)構和生產(chǎn)成本的角度，展望了生物質(zhì)基炭負極材料用于商業(yè)化鈉離子電池的未來研究方向和挑戰(zhàn)。

圖1圖文摘要

理解鈉離子存儲機制將利于開發(fā)高性能的生物質(zhì)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(jié)構炭和不同生物質(zhì)衍生炭在鈉離子電池負極中的應用。基于微觀結(jié)構與鈉離子存儲性能之間的結(jié)構-性能關系，選擇具有特定區(qū)域、生長周期短的生物質(zhì)作為高性能炭負極的前體是可行的，這將明顯消除生物質(zhì)衍生炭材料的微觀結(jié)構（如晶區(qū)、層間間距、納米型等）異質(zhì)性。

圖3生物質(zhì)衍生炭負極在實際鈉離子電池應用中的方向和挑戰(zhàn)

【總結(jié)與展望】

為了開發(fā)生物質(zhì)衍生炭負極材料，炭化溫度的優(yōu)化與硬炭微觀結(jié)構的調(diào)節(jié)是當前需要解決的問題。從合成方法、微觀結(jié)構、生產(chǎn)和應用4個方面總結(jié)了硬炭負極的未來發(fā)展趨勢。首先需要保證炭前驅(qū)體的純度。水熱炭化可以克服不同的栽培環(huán)境、物種和氣候所導致的生物質(zhì)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(jié)構（如封閉孔、層間間距與缺陷等）調(diào)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(yè)化應用，期間應用于結(jié)構調(diào)節(jié)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(tǒng)，應與鉛酸電池競爭，而非鋰離子電池。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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