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这篇综述聚焦生物质衍生硬碳在能源存储领域的应用。探讨其作为传统碳源替代品的进展，分析合成方法对材料性能影响，指出机器学习预测存在的局限，为后续研究明确方向，助力解决能源存储难题。
引言
全球能源需求很大一部分仍依赖非可再生能源，2021 年煤炭、天然气和石油分别约占能源供应的 36%、26% 和 33%。随着对这些燃料需求的增长，能源安全问题日益凸显，气候变化也促使人们向可再生能源技术转型。尽管 2022 年煤炭和天然气价格高昂，但在许多国家，清洁绿色技术仍是新发电的最经济选择，可再生能源在全球发电中的占比已达 13% 且持续上升。
能源领域的成本压力源于供应链紧张和关键矿物价格高企，影响了能源的可负担性和可及性。因此，人们致力于开发锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）和超级电容器，以应对能源安全和环境挑战。二次 LIBs 已广泛应用于各类电子设备和能源存储领域，其性能指标包括重量和体积能量 / 功率密度、循环稳定性和成本等。LIBs 能量密度高，超级电容器功率密度高，而设备的存储性能主要取决于电极，以及电解质和隔膜。
由于电动汽车（EV）销量迅速增长，这些设备的原材料成本也居高不下，开发低成本、高性能的电极至关重要。目前，天然 / 合成碳和软 / 硬碳被视为二次电池阳极的合适候选材料，对称超级电容器的两个电极和不对称超级电容器的其中一个电极通常使用活性炭。
石墨在电动汽车电池质量中占比约 10 - 15%，2020 年锂离子电池生产消耗约 45.6 万吨石墨，中国在全球天然石墨市场供应中占主导地位，达 69%。欧盟 2020 年将天然石墨列为关键原材料，凸显其供应链的脆弱性。合成石墨虽可作为替代品，但生产需多种原料和复杂工序，且依赖化石燃料。目前石墨在商业锂离子电池阳极材料市场占比约 89%，电池总重量的 20% 为石墨。人们尝试将 SIBs 引入行业，使用石墨电极或相关阳极材料，对碳阳极的需求不可避免。
鉴于硬碳的优异性能，本文旨在全面总结生物质废弃物衍生硬碳材料在能源存储方面的研究进展，包括对合成硬碳的生物废弃物前驱体进行分类、探索存储机制、讨论温度效应和杂原子掺杂对硬碳物理和电化学性能的影响，重点探讨含木质素的生物质衍生硬碳作为电极材料的作用，以及不同热处理方法对相似生物质原料结构异质性和电化学性能的影响。同时，还将探讨人工智能（AI）在硬碳开发中的潜力，以及实现理想储能材料面临的关键瓶颈。
近期材料现状
多种碳材料被研究作为潜在的电极材料，如碳气凝胶、泡沫、空心球、石墨烯、氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNT）、碳纳米纤维（CNFs）、碳化物衍生碳（CDC）和活性炭（AC）等。然而，这些碳材料的制备过程、复杂反应步骤以及经济成本阻碍了它们的广泛应用。
活性炭由多种含碳原料制备而成，在能源存储领域有一定应用，但在满足高性能储能设备的需求方面仍面临挑战。
生物质衍生硬碳生产关键因素的工程方法
水热碳化（HTC）、热解、微波辅助热解、烘焙、气化等技术常用于提升生物质的能源性能。碳化方法的选择主要取决于生物质前驱体的类型，合理选择有助于获得高质量、高产量的材料。HTC 和热解是从生物质制备碳材料的主要技术。HTC 模拟天然煤炭形成过程，通过化学反应将生物质转化为碳质材料；热解则是在无氧或低氧环境下对生物质进行加热分解，得到硬碳产物。不同的碳化温度、时间和气氛等条件会显著影响硬碳的结构和性能。例如，较高的碳化温度通常会使硬碳的石墨化程度增加，导致其孔隙结构和表面性质发生变化，进而影响其在电池和超级电容器中的电化学性能。
展望
本文总结了潜在的废弃物衍生硬碳替代石墨 / 活性炭用于 LIBs、SIBs 和超级电容器的适用性。碳材料的物理化学和电化学特性很大程度上取决于前驱体。前驱体的继承形态以及层间距、孔隙率和缺陷等结构参数对提升生物炭或硬碳的电化学性能至关重要。对于废弃生物质而言，其来源广泛且具有可持续性，但成分复杂多样，给优化储能系统带来挑战。未来，整合机器学习技术，解决批次间一致性和多功能复合材料等问题，对推动硬碳材料在能源存储领域的发展至关重要。机器学习可用于预测硬碳材料的性能，优化合成工艺参数，加速新型硬碳材料的开发。然而，目前机器学习在硬碳材料研究中的应用还存在一些局限性，如数据质量、模型泛化能力等问题，需要进一步探索和改进。
未来展望
硬碳材料作为电极在实现高效储能性能方面具有诸多优势，但尽管在硬碳材料性能与设备性能关联、生物质来源等方面已有大量研究，生物质的多样性仍是优化储能系统的重大挑战。此外，将机器学习（ML）融入研究，解决批次间一致性和多功能复合材料等问题，对未来硬碳材料的发展至关重要。例如，通过 ML 算法可分析大量实验数据，挖掘材料结构与性能之间的潜在关系，为材料设计提供指导；同时，解决批次间一致性问题能确保硬碳材料质量稳定，多功能复合材料的开发则可进一步提升硬碳电极的综合性能。
结论
生物质衍生碳材料为储能提供了一种可持续且经济高效的途径。它们来源丰富，具有多样的多孔结构和功能化潜力，是超级电容器电极的有前途的候选材料。本文重点关注了源自废弃木本、草本和水生植物的碳材料，强调了纤维素、半纤维素和木质素在其形成过程中的作用。木质素作为一种特别有前景的前驱体，在制备高性能碳材料方面展现出独特优势。通过合理选择生物质前驱体和优化制备工艺，有望进一步提升生物质衍生硬碳材料的性能，满足日益增长的能源存储需求，推动能源领域向可持续方向发展。
