从一种生物质材料制备出两种具有不同功能的碳材料：用于钠离子电池和锌碘电池电极制造的阶梯式利用策略

《Journal of Energy Storage》：From one biomass to two functional carbons: Graded utilization strategy for fabricating electrodes in sodium-ion and zinc-iodine batteries

生物质通过深熔盐溶剂预处理实现分级转化，固体部分在1100℃碳化获得钠离子电池高容量硬碳电极（319.7 mAh g?1），液体部分经ZnCl?辅助热解制备B/N共掺杂多孔碳电极（152.4 mAh g?1）用于锌碘电池，循环稳定性优异，解决组分分离与功能匹配难题。

　　

王楚人|李子强|徐洪臣|赵功元|于登峰|陈春霞

东北林业大学化学、化学工程与资源利用学院，哈尔滨市和平路26号，150040，中国

摘要

生物质用于可持续能源存储的利用常常受到其各组分利用效率低下的阻碍。本研究提出了一种深度共晶溶剂（DES）介导的分级策略，将轻木整体组分分级转化为高性能碳电极，用于钠离子电池（SIBs）和锌碘电池（ZIBs）。经过DES-NaOH预处理后，固相在1100°C低温下炭化，制备出用于SIBs的硬质碳阳极。这种预处理破坏了木质素-碳水化合物复合体，降低了纤维素的结晶度，并促进了对Na⁺存储至关重要的封闭孔隙的形成，使得电池在30 mA g^?1电流下具有319.7 mAh g^?1的高可逆容量，并且在1 A g^{?1₂辅助热解，将DES衍生的液相转化为用于ZIBs的B/N共掺杂的多孔碳阴极。该阴极在100 mA g?1?1}

引言

在过去几十年中，可再生能源（如风能、太阳能和地热能）的广泛采用已成为减轻环境污染的关键策略[1]。然而，这些可再生能源的间歇性以及对电动交通日益增长的需求，迫切需要可靠的电化学储能系统。作为核心储能设备，电池主要分为有机基和水基系统：钠离子电池（SIBs）使用有机电解质，由于钠资源丰富且成本低廉而发展迅速[2]；而水基锌碘电池（ZIBs）[3]因其高安全性、高理论比容量和多价锌化学性质而被视为最有前景的技术之一。

储能设备在特定应用中的性能主要由其电极材料决定。其中，生物质衍生的碳材料[4]因其可调的物理化学性质、环境可持续性和经济可行性而受到广泛关注，成为储能设备电极材料的前体。然而，传统的生物质转化策略存在关键限制。对于SIB阳极，通常需要通过高温（超过1300°C）的热解（炭化）来制备硬质碳[5]。例如，Tang等人[6]在1500°C下炭化球磨竹粉制备了高性能硬质碳；Zhou等人[7]利用农业废弃物（橄榄壳）在1400°C下制备了具有优异钠存储能力的硬质碳；Xu等人[8]通过1400°C的热解从莲根淀粉中合成了高性能生物质衍生硬质碳阳极，得益于其低成本和广泛可用性。高温有助于碳原子的重新排列，而高温热解被广泛认为可以促进封闭孔隙的形成[9]，这对提高容量至关重要。然而，过高的温度会延长合成时间、增加设备成本并提高操作风险。因此，开发能够在较低热解温度下制备高性能硬质碳的前体预处理策略是非常必要的。先前的研究表明，生物质中的纤维素比木质素更容易炭化。在较低温度下也可以形成封闭孔隙[10]。此外，调节前体性质（如化学组成和纤维素结晶度）对控制硬质碳中封闭孔隙的形成起着重要作用。

另一方面，碳基质中的杂原子掺杂对ZIBs非常有利[11]。掺杂的杂原子可以通过强静电相互作用为多碘化物提供丰富的锚定点，从而有效缓解穿梭效应，固定碘物种[12]。因此，开发高性能杂原子掺杂碳材料对于推进ZIBs技术至关重要。然而，现有的策略主要集中在单组分利用或单一应用途径上，未能实现整个生物质的全面和分级利用。这种长期存在的“组分分离与高效利用”挑战严重阻碍了生物质资源在可持续能源存储中的效率和经济效益。

为了解决这些挑战，我们提出了一种深度共晶溶剂（DES）介导的轻木整体组分分级利用策略。该方法实现了固体和液体流的同时转化，实现了整个生物质的高价值级联利用。具体而言，固相经NaOH活化后在1100°C下炭化，制备出用于SIBs的硬质碳阳极，其在30 mA g^{?1?1+存储性能。同时，含有溶解木质素、氯化胆碱、尿素和硼酸的液相与ZnCl₂混合后在700°C下炭化，得到多孔的B/N共掺杂碳。经过碘功能化后，这种碳作为ZIBs的阴极，在100 mA g?1?1?1}

部分摘录

DES的制备

所有化学品均为分析纯试剂级，购自Aladdin，无需纯化即可使用。通常将氯化胆碱（0.5 mol）、尿素（0.5 mol）和硼酸（0.25 mol）放入500 mL烧杯中，在90°C的油浴中连续搅拌直至形成均匀透明的溶液。所得到的DES（115.3 g）可储存以供后续使用。

生物质处理

将轻木块切成薄片（1–2 mm厚）。随后，取2.0 g这些薄片

结果与讨论

本研究提出了一种轻木整体组分的协同利用策略。DES-NaOH预处理同时促进了固体生物质组分的结构优化和液体副产物的功能化。我们全面研究了来自DES-NaOH改性木质固体HC阳极的微观结构演变和电化学性能（第3.1节）。同时，我们考察了孔结构、杂原子功能性和碘

结论

总之，本研究通过DES介导的分级过程成功展示了轻木的整体组分可持续利用策略。我们建立了一种“一种生物质用于两种应用”的方法，有效克服了生物质转化中长期存在的“组分分离与功能匹配”挑战。关键创新在于DES-NaOH预处理，它不仅优化了固体组分，使其能够

CRediT作者贡献声明

王楚人：撰写 – 原稿撰写、资源提供、实验研究。李子强：软件开发、实验研究。徐洪臣：软件开发。赵功元：撰写 – 审稿与编辑、指导、资金获取。于登峰：撰写 – 审稿与编辑。陈春霞：撰写 – 审稿与编辑、指导。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢国家重点研发计划（2024YFD2201503）、黑龙江省自然科学基金（LH2023E005）、中国博士后科学基金（2022 M720690）和黑龙江省博士后基金（LBH-Z22058）的财政支持。