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【钠电硬碳】北京大学深圳研究生院潘锋教授ESM:生物酸介导的生物碳用于竞争性钠离子电池

2026-04-28 01:36:16

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【研究重点】

高性能生物碳的大规模生产对于电气化、绿色和可持续社会至关重要。然而，由于严格的孔隙率要求以及生物质清灰过程中对有毒物质的依赖，其实际制造仍然具有挑战性。特别是，硬碳（HC）受到不精确的孔隙调节和前体产生的杂质元素的影响。

本研究开发了一种经生物酸（植酸，PA）处理的生物质衍生的HC，可实现一步式绿色脱灰和精确的孔隙工程。
优化的纤维素碳负极具有显著的碳产率（约40%，接近其理论值），钠存储容量为483 mAh g−1，初始库仑效率（ICE）高达90%。
此外，PA在可回收性方面表现出巨大的潜力。
此外，生命周期评估 (LCA) 分析表明，所提出的工艺可减少 50% 的化石消耗和 60% 的温室气体排放。
本工作为通过绿色、可持续的途径大规模生产基于生物质的高性能碳氢化合物开辟了一条新途径。
【研究背景】

碳基材料在电化学储能系统中用作电极或导电剂，由于其高电子电导、可调谐结构和出色的稳定性而备受关注。与从化石燃料 (如煤炭和石化) 中提取的传统碳不同，生物碳是可持续和环保的，因为它直接或间接来自植物光合作用，这需要相当大的吸引力。然而，在高性能生物炭的环境制备方面存在一些重大挑战，包括：1) 来自生物质直接热解的生物碳的低孔隙率和宽的孔径分布导致较差的电化学性能；2) 来自生物质的可比灰分促进了加工设备的结渣和结垢；它还对最终产品形成无机杂质。3) 为了去除它，使用了无机酸浸出剂，这会造成巨大的环境成本。4) 浸出过程中释放的有害气体和产生的酸性废物导致严重的操作安全。

硬碳（HCs）是最具代表性的碳基材料之一，由于其高比容量和低电压平台而被广泛用作钠离子电池负极。从结构上看，HC是一种乱层碳，由随机取向、弯曲和有缺陷的石墨烯纳米片组成，层间距增大。最近，有报道称低压平台与储钠的闭孔有关。具体来说，通过产生高密度的闭孔来增加HC的平台容量是有效的方法。据报道，通过热解葡萄糖酸锌获得的HC具有480 mAh g-1的超高钠存储容量。然而，该方法仅限于特定的前体，与生物质前体不兼容。此外，以活性炭为前驱体并通过化学气相沉积（CVD）实现了超过400mAh g-1的平台容量。小碳物种进入孔隙并精确控制孔隙结构。然而，CVD工艺需要昂贵的设备和复杂的程序，使其不适合大规模或工业应用。最近还探索了其他新兴的碳氢化合物闭孔构建策略，例如闪速加热、分子交联和生物质解偶联，它们表现出有希望的孔隙调节效率，但在生物质衍生前体的可扩展制造方面仍然面临挑战。此外，HC 对杂质元素高度敏感，这会损害钠离子的可逆存储并导致初始库仑效率（ICE）较低或大量气体逸出。因此，迫切需要开发一种通用、廉价且可持续的方法来处理高性能的HC。

【图文导读】

图1. 该方法的制备机理和优点。

图1展示了植酸（PA）处理竹基硬碳（Bam-PA-HC）的合成机理和该方法的多重优势。该图通过示意图说明了PA作为脱灰剂和造孔剂，在一步处理中同时实现生物质脱灰和精确孔结构工程的过程。雷达图则对比了传统竹基硬碳（Bam-HC）、酚醛树脂基硬碳（PF-HC）和本研究制备的Bam-PA-HC在容量、平台容量占比、产碳率、初始库伦效率（ICE）和可持续性五个维度的表现，直观地证明了Bam-PA-HC在综合性能上的优越性。

图2. 清灰和孔隙工程的表征。

图2系统表征了PA处理对竹粉的脱灰效果和对硬碳的孔结构调控作用。该图通过元素分析（ICP-OES）和产碳率数据，证明了PA能高效去除竹粉中的金属杂质（如K、Ca、Fe等，去除率>80%），并将碳产率从约20%显著提升至近40%。通过小角X射线散射（SAXS）和电化学测试，证明了PA处理能有效构建封闭孔，从而使所得硬碳（Bam-PA-1600）具有更高的钠存储容量（471 mAh g-1）和平台容量（402 mAh g-1），其性能优于此前报道的多数竹基硬碳。

图3. PA的回收和表征。

图3重点阐述了PA的回收与循环利用能力，证明了该方法的可持续性和工业化潜力。该图展示了PA从使用、回收到再生的完整工艺流程图。通过照片、ICP-OES和FTIR光谱分析，证明了回收再生的PA（RPA）在颜色、金属离子含量和化学结构上与新鲜PA高度一致。电化学测试表明，即使循环使用5次，用RPA制备的硬碳仍能保持高容量（416 mAh g-1）和高ICE（88.5%）。此外，该图还展示了公斤级规模的放大生产试验设备及产品，验证了该工艺的工业可行性。

图4. 闭孔硬质炭微球的制备与结构。

图4深入探究了PA在纤维素基质中调控孔结构形成的微观机理。该图以纤维素为模型，通过FTIR、TGA、BET、SAXS、nPDF和分子动力学（MD）模拟等手段，揭示了PA浓度如何影响其在纤维素中的分散状态和氢键相互作用，进而决定了在后续碳化过程中形成的孔结构类型（均匀封闭孔 vs. 连通开放孔）。研究指出，存在一个最佳的PA浓度（对应样品Cel-PA3560-1600），此时能形成大量均匀封闭孔，从而获得最高的钠存储容量（483 mAh g-1）和ICE（90%）。浓度过高则会导致PA分子聚集，形成不利于储钠的连通孔。

图5. 电池制造成本分析和HC生产对环境的影响。

图5从电池成本分析和生命周期评估（LCA）的角度，量化了本研究方法的经济和环境效益。电池成本分析（BatPac模型）表明，使用高性能Bam-PA-HC可以提升电池包能量密度并降低其成本，当硬碳容量接近500 mAh g-1时更具成本效益。LCA结果则显示，与传统的竹基硬碳（Bam-HC）和酚醛树脂基硬碳（PF-HC）相比，Bam-PA-HC的生产过程能显著减少温室气体排放（降低约60%）和化石资源消耗（降低约50%），并在多个环境影响类别（如生态毒性、细颗粒物形成等）中表现出最低的环境足迹，充分证明了其绿色可持续性。

【总结】

在这项工作中，开发了一种经济高效、绿色、可持续的方法，通过可回收的生物酸（植酸）制备高性能生物碳，并验证了其作为 SIB 阳极的有效性。通过控制PA在木质纤维素基质中的分散，实现了对孔隙结构的精确调控，并在生物质衍生的HC中构建了大量的闭孔。因此，优化后的 HC 表现出优异的性能，具有高容量 (483.1 mAh g-1) 和出色的可逆性 (ICE: 90%)。所提出的生物酸介导方法的可持续性影响是双重的。首先，原材料（PA和竹子）源自生物质，避免使用盐酸和酚醛树脂等高污染化学品。其次，在溶剂可回收性方面，PA表现出令人印象深刻的可重复使用性，强调了其可回收性和经济可行性。LCA 结果进一步凸显了其环境友好性，表明与生产相关的环境足迹有所减少。本工作为通过绿色、可持续的途径基于生物质的高性能碳氢化合物大规模生产提供了基本见解和指导。

【文献信息】

Bioacid mediated Biocarbon for Competitive Sodium-ion Battery, Energy Storage Materials 88 (2026) 105101.

DOI: 10.1016/j.ensm.2026.105101

链接: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105101

【通讯作者简介】

金锋：北京大学深圳研究生院新材料学院博士后，主要从事固态电池，电极材料及原位表征技术的开发等。在Nature communications， JACS等国际期刊发表SCI论文10余篇；现专注于非晶类材料的开发及其在储能领域的应用探索。

楼子瑞：北京大学深圳研究生院新材料学院青年副研究员，主要从事新能源转化与存储材料的研究，包括电池材料、柔性电子与光/电催化等。在Advanced Materials，Energy Storage Materials等国际期刊发表SCI论文30余篇，目前致力于生物质衍生功能材料的研究与材料检测方法开发/服务。

潘锋：北京大学讲席教授，国家特聘专家，中国化学会会士，北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长。聚焦新能源与新材料产业关键问题，基于AI和自主发展的图论结构化学和材料基因组学，建立了新材料创制体系；建设了物质结构表征科学装置与方法及其解析系统；揭示了新能源材料的构效关系，在锂电池正极材料等方面取得突破性进展并实现产业转化。已在Nature、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Joule、JACS等国际高水平期刊发表论文400余篇，被引逾4万次，拥有多项国内外发明专利。现任《结构化学》执行主编、《Journal of Materials Informatics》副主编、《化学进展》副主编，并担任国际电化学能源科学学会委员、国际电动车锂电池协会副主席等学术职务，曾获中国电化学贡献奖、美国电化学学会电池科技奖及国际电动车锂电池协会杰出研究奖等荣誉。

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<经典文献回顾>

【硬碳负极】华中科技大学姚永刚/谢佳/杨海平Nat. Commun.：数据驱动的智能碳化技术实现生物质到高性能硬碳的统一转化

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