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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(diǎn)，有望替代鋰離子電池在中/大規(guī)模能源存儲(chǔ)系統(tǒng)中應(yīng)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(gòu)穩(wěn)定性、可控的多孔結(jié)構(gòu)和高的比表面積等特性，被認(rèn)為是實(shí)用前景較大的鈉離子電池負(fù)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(fù)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(fù)極材料與鈉離子儲(chǔ)存間的構(gòu)效關(guān)系尚未得到廣泛的研究與總結(jié)，如何通過構(gòu)建生物質(zhì)基炭負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)以提高其儲(chǔ)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(xué)邱學(xué)青、張文禮教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(chǔ)能機(jī)理和儲(chǔ)能器件（鈉離子、鉀離子電池，超級(jí)電容器，水系儲(chǔ)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(jìn)炭負(fù)極材料用于鈉離子電池的最新進(jìn)展（圖1）。首先，系統(tǒng)地討論了炭負(fù)極儲(chǔ)鈉機(jī)制的歷史觀點(diǎn)，以明確其構(gòu)效關(guān)系。其次，介紹了炭材料的孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、雜原子摻雜、晶體結(jié)構(gòu)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(fù)極的儲(chǔ)鈉性能。最后，從合成方法、微觀結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)成本的角度，展望了生物質(zhì)基炭負(fù)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(chǔ)機(jī)制將利于開發(fā)高性能的生物質(zhì)基炭負(fù)極材料。如圖2所示，鈉離子存儲(chǔ)機(jī)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(chǔ)存機(jī)制尚不明確，但可以確定封閉孔隙填充是重要的電荷儲(chǔ)存機(jī)制，有助于提高平臺(tái)容量；大的層間間距利于鈉離子在炭層中快速擴(kuò)散；豐富的缺陷可以為鈉離子提供大量的活性位點(diǎn)。
圖2鈉離子在炭負(fù)極中的存儲(chǔ)機(jī)制
另外，本文討論了多孔炭、雜原子摻雜炭、硬炭、納米結(jié)構(gòu)炭和不同生物質(zhì)衍生炭在鈉離子電池負(fù)極中的應(yīng)用。基于微觀結(jié)構(gòu)與鈉離子存儲(chǔ)性能之間的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，選擇具有特定區(qū)域、生長(zhǎng)周期短的生物質(zhì)作為高性能炭負(fù)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(gòu)（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(fù)極在實(shí)際鈉離子電池應(yīng)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(fù)極材料，炭化溫度的優(yōu)化與硬炭微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)是當(dāng)前需要解決的問題。從合成方法、微觀結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)和應(yīng)用4個(gè)方面總結(jié)了硬炭負(fù)極的未來發(fā)展趨勢(shì)。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(dǎo)致的生物質(zhì)組分分布差異，保持碳骨架均勻。另外，重點(diǎn)關(guān)注炭負(fù)極的微觀結(jié)構(gòu)（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(chǔ)性能。硬炭負(fù)極的制備也須遵循綠色化學(xué)原理，采用低溫炭化工藝將利于低成本的工業(yè)化應(yīng)用，期間應(yīng)用于結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的化學(xué)品也應(yīng)得到回收。此外，鈉離子電池未來主要應(yīng)用于大型電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)與鉛酸電池競(jìng)爭(zhēng)，而非鋰離子電池。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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