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生物炭作为锂钠离子电池电极材料，蒸汽活化对锂电池性能提升有限，但非活化木生物炭在钠电池中表现更优（循环850次容量达72 mAh/g）。活化过程能耗高、成本大，非活化材料更具环保经济性。
Susana Chauque|Pejman Salimi|Amine Lataf|William Gomes de Morais|Mohammadhossein Safari|An Hardy|Dries Vandamme|Remo Proietti Zaccaria
意大利技术研究所，Via Morego 30，热那亚 16163，意大利
摘要
化石燃料对环境的负面影响，尤其是二氧化碳（CO2）的排放，迫切需要开发清洁能源技术，如先进的能量存储设备。本研究探讨了利用硬木废弃物制成的生物炭及其活化形式作为锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）阳极的应用。研究结果表明，蒸汽活化对提高生物炭在LIBs中的性能影响甚微。令人惊讶的是，未经活化的木基生物炭在SIBs中表现出更优异的性能，在850次循环后，其容量几乎是活化生物炭的两倍（0.5 A/g时为72 mA h/g vs 33 mA h/g）。这项研究强调了优化材料性能的重要性，例如石墨层间距（d）、比表面积、石墨化程度和元素组成，以提升不同化学体系下电池的性能。需要注意的是，活化生物炭的生产需要大量的能源、气体和化学物质，从而增加了资源消耗和成本。因此，未经活化的生物炭是一个更可行且环保的替代方案。本研究提倡全面了解生物炭的特性及其对电化学性能的影响，强调应根据具体应用需求对生物炭进行工程化改进，而不仅仅是关注原料类型。
引言
目前，人们仍在持续寻找适用于锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）的最佳电极材料，旨在提升电化学性能的同时降低成本。寻找改进的电极材料的工作仍在继续，目标是在降低成本的同时提高性能[[1], [2], [3], [4]]。在这一背景下，可回收和可再生的生物质衍生材料作为高性能电极的可持续和经济可行的候选材料受到了越来越多的关注。
近几十年来，生物质衍生的碳基材料，尤其是生物炭，在多个领域得到了广泛应用，包括催化剂电极、电容器以及SIBs/LIBs电极[1,2,[5], [6], [7], [8]]。通过蒸汽或二氧化碳（CO2）对生物炭进行物理活化，可以显著提升其结构和电化学性能，使其成为能量存储领域的理想材料[[9], [10], [11], [12]]。这种方法显著增加了材料的比表面积和孔隙率，从而提高了电导率和表面化学性质[9,13,14]。这些改进对于优化生物炭在电池和超级电容器中的应用至关重要[2]，有助于实现高效的能量存储和快速充放电循环[11,15,16]。然而，我们之前的研究表明，这些改进并非普遍适用。虽然未经改性的生物炭在某些系统中可能表现出更优异的性能[17]，但在其他系统中活化处理可以带来显著的提升[11]。因此，全面了解生物炭的特性（无论是活化还是未活化的）及其对特定电化学储能设备的影响至关重要。为了使生物炭适应特定应用，必须仔细考虑其活化状态及其与其他系统组件的相互作用。在本研究中，我们利用蒸汽活化来提高木基生物炭的孔隙率并改变其化学性质，同时充分利用其环保特性。木基生物炭（WB）和蒸汽活化后的木基生物炭（SAWB）被用于两种常见的储能设备（LIBs和SIBs）中，以评估活化对系统性能的影响。选择木基废弃物作为基准材料，是因为它在各种电化学系统中的广泛应用历史和已验证的潜力[18]。作为自然界中最丰富的可再生生物质材料，木材具有可持续性、丰富性和可生物降解性[19]。大量研究揭示了其独特的结构和性质，使其成为生产生物炭及后续活化的理想选择[20,21]。结合木材的固有优势与蒸汽活化带来的改进，有望显著提升生物炭在储能设备中的性能。与普遍观点[22], [23], [24]相反，我们的研究结果挑战了活化能均匀提升锂/钠电池性能的观点。虽然活化确实可以提高锂电池的容量，但通过对稳定性和长期循环性能的细致评估，发现木基生物炭在钠离子电池中表现更为优异。值得注意的是，木基生物炭在钠离子电池中表现出更高的容量和更长的循环寿命。需要强调的是，活化生物炭的生产需要更多的能源、气体和化学物质，从而增加了资源消耗和成本。从环境角度来看，未经活化的生物炭是一个具有较低生态足迹的可行替代方案，但在商业化和大规模应用之前仍需进行仔细评估。
本文强调了建立预测模型以评估基于生物炭的电池电极容量和稳定性的必要性。为了解决文献中数据有限的问题，我们基于之前和当前关于生物炭电极在LIB半电池中的实验数据，开发了一个包含关键结构和电化学参数的模型。这种系统性的数据驱动方法对于提高模型准确性和合理设计高性能生物炭基电池至关重要。
材料
硬木（HW，来自比利时Houthalen的Biomassaplein），锂片，厚度：0.6 mm（Nanografi，纯度99.9%）；钠颗粒（Na，Sigma Aldrich，纯度99.8%）；Super P碳（Imerys）；5 μm球形硬碳（HC）粉末，用于钠离子和锂离子电池（TOB公司）；聚偏二氟乙烯（PVdF，Sigma Aldrich）；N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP，Sigma Aldrich，纯度99.5%）；商用LP30（Solvionic）；高氯酸钠（NaClO4，Sigma Aldrich，纯度98%）；碳酸乙烯酯（C3H4O3，EC
结果与讨论
分析了木基、蒸汽活化材料的化学、晶体、形态和电化学性质，作为LIBs和SIBs的阳极。WB和SAWB样品的XRD图谱如图1A所示。观察到两个主要衍射峰，分别位于约2θ = 24°和2θ = 44°，对应于（002）和（100）Miller指数，ICSD：33259（空间群：P3/mmc，结构类型：六方）[11,28,29]。根据布拉格定律（λ = 2d002 sinθ）进行计算...
结论
本研究展示了硬木废弃物制成的生物炭作为锂离子电池和钠离子电池可持续阳极材料的巨大潜力。其低成本和可持续的生产方式使其成为硬碳和石墨等传统电极材料的有力替代品。研究结果表明，蒸汽活化并未提升生物炭在LIBs中的性能。令人惊讶的是，未经活化的木基生物炭在钠离子电池系统中的性能优于活化后的生物炭...
作者贡献声明
Susana Chauque：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，研究，数据分析，概念化。Pejman Salimi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究，资金获取，数据分析，概念化。Amine Lataf：撰写 – 原稿，方法论，研究，数据分析。William Gomes de Morais：撰写 – 审稿与编辑
致谢
我们衷心感谢Willem Vercruysse博士在生物炭活化和CHNS分析方面的宝贵贡献，以及Lea Pasquale博士在BET分析方面的专业知识。本研究得到了UHasselt特别研究基金（BOF23PD03；P. Salimi）的财政支持。
