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陳志剛/楊艷玲AFM: 用于高性能電池的生物質(zhì)碳材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系

由于生物質(zhì)衍生材料的可持續(xù)性、環(huán)境友好性和結(jié)構(gòu)多樣性，研究人員致力于將其用作高能可充電電池的儲(chǔ)能材料。因此，從結(jié)構(gòu)到儲(chǔ)能機(jī)制的及時(shí)和全面的審查將大大拓寬這一研究領(lǐng)域。

在此，澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)陳志剛教授、陜西科技大學(xué)楊艷玲教授等人從電池的運(yùn)行機(jī)制入手，全面總結(jié)了用于高能電池的生物質(zhì)碳（BDC）材料的最新進(jìn)展，包括BDC材料的活化方法（化學(xué)、物理、物理化學(xué)偶聯(lián)活化）和零維、一維、二維和三維的結(jié)構(gòu)分類(lèi)。此外，作者還總結(jié)了目前BDC材料設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)：

1）開(kāi)發(fā)新方法來(lái)合理地改性BDC表面仍然是當(dāng)務(wù)之急；

2）缺乏強(qiáng)大而有效的表征技術(shù)來(lái)跟蹤BDC材料在電池中的演化，使得生物聚合物或BDC材料的反應(yīng)機(jī)理難以探索；

3）電解液在BDC多孔結(jié)構(gòu)的大比表面積上分解會(huì)導(dǎo)致庫(kù)侖效率低；

4）在不破壞生物質(zhì)天然結(jié)構(gòu)的情況下，精確控制BDC的孔隙結(jié)構(gòu)和尺寸仍然是個(gè)挑戰(zhàn)；

5）電極設(shè)計(jì)方法如水熱和電化學(xué)沉積，極大地限制了BDC材料的大規(guī)模應(yīng)用。

圖1. BDC材料不同維度的結(jié)構(gòu)圖

最后，作者指出了未來(lái)BDC設(shè)計(jì)的展望：

1）深入了解物理、化學(xué)、物理化學(xué)偶聯(lián)活化等表面改性原理；

2）開(kāi)發(fā)大規(guī)模制備方法是實(shí)現(xiàn)以BDC材料為電極的電池器件商業(yè)化的重要一步；

3）熟悉生物質(zhì)材料的組成和結(jié)構(gòu)是BDC材料/活性物質(zhì)復(fù)合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；

4）通過(guò)先進(jìn)的原位測(cè)試技術(shù)研究BDC基電極的運(yùn)行機(jī)理和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；

5）超高的循環(huán)穩(wěn)定性和存儲(chǔ)容量、延長(zhǎng)的循環(huán)壽命、快速的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和高庫(kù)侖效率是未來(lái)基于BDC材料儲(chǔ)能器件的重要指標(biāo)；

6）應(yīng)在能源技術(shù)研究的基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化等方面投入更多資源和精力，為生物質(zhì)電池的快速發(fā)展提供更多先決條件?？傊揪C述將幫助研究人員選擇合適的策略來(lái)設(shè)計(jì)BDC材料，從而促進(jìn)生物質(zhì)材料在電池設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

圖2. BDC材料的挑戰(zhàn)、策略及展望總結(jié)

Biomass-Derived Carbon for High-Performance Batteries: From Structure to Properties, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202201584

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