中國(guó)石河子大學(xué)（Shihezi University）的研究人員探討棉花秸稈顆粒的大小對(duì)生物炭結(jié)構(gòu)和鋰離子電池負(fù)極性能的影響。

（圖片來(lái)源：石河子大學(xué)）

        鋰離子電池具有能量密度高、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域廣受歡迎。但是，這種電池中常用的石墨負(fù)極容量有限，倍率性能較差。為了提高電池性能，研究人員致力于開(kāi)發(fā)下一代碳負(fù)極材料。

此項(xiàng)研究

        在這項(xiàng)研究中，研究人員探討將棉稈生物炭（cotton stalk biochar，CSC）作為鋰離子電池負(fù)極材料，并研究顆粒大小對(duì)衍生碳材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。

        該團(tuán)隊(duì)利用一步碳化法來(lái)制備樣品。以較大的棉稈顆粒為原料來(lái)制備生物炭，可以保留棉稈的管狀結(jié)構(gòu)，并有助于形成孔隙結(jié)構(gòu)。

        研究人員以農(nóng)業(yè)棉稈廢料為前體，探討粒徑對(duì)碳化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)屬性的影響。通過(guò)簡(jiǎn)單的碳化過(guò)程來(lái)制造高性能的棉稈多孔炭。

觀察結(jié)果

        隨著掃描速度加快，電容分布逐漸擴(kuò)大。在掃描速度為1 mVs-1時(shí)，電容分布達(dá)到47.57%。當(dāng)電流密度為2 Ag-1時(shí)，CSC負(fù)極的可逆容量達(dá)到57.62-130.33 mAhg-1，而石墨的可逆容量?jī)H為30.8 mAhg-1。CSC-1、2、3、4和5的初始比容量分別為786.5、872.1、857.8、749.85和646.1 mAhg-1，并在第一次放電/充電操作過(guò)程中迅速下降。在高分辨率O1s中，C=O、C-OH、C-O-C和OH分別在530.9 eV、531.8 eV、532.6 eV和533.6 eV處出現(xiàn)四個(gè)峰值。

        當(dāng)棉稈粒徑小于200 μm時(shí)，熱解炭的結(jié)構(gòu)特征出現(xiàn)明顯變化，尤其是孔徑小于4 nm。碳化棉稈產(chǎn)物的粒徑范圍為100-200和450-2000μm，最大層間距為0.388 nm，孔容為0.285 cm3 g-1。同時(shí)，由較大棉稈顆粒制成的熱解炭，具有更好的管狀結(jié)構(gòu)。

        在0.1 Ag-1下循環(huán)100次后，粒徑為450-2000 μm的棉稈生物炭的Li+擴(kuò)散系數(shù)最大，為1.47x10-11 cm2 s-1，電化學(xué)性能最好，同時(shí)，比容量較大，達(dá)到271.7 mAhg-1。

        就生物炭的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和化學(xué)組成而言，200 μm的棉稈顆粒是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)化點(diǎn)。將CSC用作鋰離子電池負(fù)極，直徑為450-2000μm的棉稈生物炭，表現(xiàn)出最好的電化學(xué)性能，在0.1 Ag-1循環(huán)100次后，比容量達(dá)到271.7 mAhg-1。同時(shí)，在2 Ag-1的高電流密度下，比容量為115 mAhg-1。

結(jié)論

        綜上所述，本項(xiàng)研究闡述了CSC具有管狀多孔結(jié)構(gòu)、較大的層間距和較高的雜原子摻雜量，可用于存儲(chǔ)和傳輸鋰離子。在熱解過(guò)程中，較大的棉稈顆粒有助于形成孔隙結(jié)構(gòu)和保留雜原子。通過(guò)改變棉稈顆粒大小，可以有效地控制生物炭的結(jié)構(gòu)，這種未來(lái)碳材料制備方法能耗低且環(huán)保。生物質(zhì)前體的顆粒大小分布，對(duì)生物炭的電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)具有較大影響。

        研究人員認(rèn)為，篩選前體顆粒大小是一種很有前途的策略，可以提高電化學(xué)性能，也為開(kāi)發(fā)其他儲(chǔ)能設(shè)備提供了思路。因?yàn)檫@種前體的數(shù)量豐富，而且相關(guān)制造工藝簡(jiǎn)單、成本低。