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本文聚焦钠离子电池（SIBs）生物质基碳负极材料，探讨硬碳（HCs）及新兴可持续材料，涵盖生产、微观结构等方面，分析钠存储机制争议，结合 SWOT 评估，为相关材料发展提供框架。
钠离子电池与生物质基碳材料研究背景
能源是人类社会经济发展的关键要素，长期以来化石燃料占据能源需求的主导地位。然而，全球化石燃料储备的部分枯竭，在过去几年引发了经济和生态的不稳定，凸显了有计划地从碳氢化合物转型的重要性。近年来，碳排放的增加和极端天气现象的加剧，更强调了向可再生能源转型、实现净零未来的紧迫性。国际可再生能源机构（IRENA）的统计数据显示，全球可再生能源装机容量从 2015 年的 1,853,969 MW 增长到 2022 年的 3,381,758 MW，预计到 2050 年，可再生资源将占全球发电量的 80% 以上。
众多间歇性可再生能源系统，如水电、风能、地热、太阳能和生物质能，需要强大的能源存储系统（ESSs）来在高供应和低需求时期存储充足的能量，并在低供应和高需求时期释放存储的能量。电动汽车（EVs）、便携式电子设备以及电网的静态储能解决方案的需求不断增长，推动了储能系统设备的发展。电池储能系统（BESS）作为主要的储能系统之一，包括超级电容器和可充电电池，通过可逆的电化学反应存储和释放电能，提供了经济实用的解决方案。
在各类电池中，锂离子电池（LIBs）因其优异的能量和功率密度，已有效商业化并进入日常生活。但随着对锂资源供应、空间分布不均和价格快速上涨的担忧加剧，钠离子电池（SIBs）因其丰富的资源和成本效益，被视为锂离子电池的主要替代品。钠的阳离子半径大于锂，具有增强的电化学反应活性和降低极性溶剂中溶解能等优势。尽管存在差异，锂和钠同属碱金属族，工作原理相似，使制造商能够转向钠离子电池的生产。
钠离子电池由正极、负极、电解质、隔膜和集电器五大主要部件组成。尽管对正极材料的研究和开发不断取得进展，但先进负极材料的稀缺仍是提高钠离子电池能量密度的主要障碍。性能优异的负极材料具有高可逆容量、低工作电位和出色的结构耐久性等特点。过渡金属氧化物 / 硫化物、合金型、硅基和其他碳基等负极材料已受到更多商业关注。
生物质基碳材料的研究现状
在各种典型的负极材料中，生物质基碳材料因其成本效益、易于生产、广泛可用性、高导电性、表面化学和可调节的微观结构，是一种非常实用的选择。硬碳（HCs）因其一系列优良特性，成为实际钠离子电池的理想选择，包括约 300 mAh?g-1的中等比容量、约 0.2 V 的低工作电位、成本效益和持久的生命周期。
硬碳的性质
无序碳质材料的微观结构对其电化学特性有显著影响。根据实现高温石墨化（通常高于 2500°C）的难度，这些材料可分为软碳（SC）和硬碳（HCs）。软碳具有明确的长程石墨层，而硬碳则呈现出由纳米级随机取向的结构组成的无序结构。
硬碳生产的生物质来源
近年来，人们高度关注确定生物质原料和合成工艺，以推动生物质基材料在先进应用中的商业化。生物质是一种可再生且环保的资源，生物圈中作为生物质分布的碳约有 5500 亿吨，其来源多样，包括木材、农业残留物等。
生物质转化为硬碳
将生物质转化为硬碳提供了一种可持续的方法来实现生物质废物的价值化，同时通过提供传统化石燃料的可持续替代品，推动可再生能源技术的发展。生物质基硬碳缺乏可石墨化性，其分子结构远比石墨中明确的层状排列复杂，而是由许多随机分散的弯曲石墨片组成。
多孔碳材料（PCM）
多孔碳材料因其出色的化学、机械和热耐久性，以及广泛的可用性和广泛的用途，在材料领域受到越来越多的关注。石墨化程度降低的碳材料可能更适合存储 Na+离子。多孔碳材料是理想的钠离子电池负极，因为它为钠离子和电解质传输提供了许多活性位点和路径。
生物质基碳纳米管（CNTs）
碳纳米管通常被定义为由石墨片卷曲形成的纳米级管。对于单壁碳纳米管，直径范围为 0.8-2 nm，而多壁碳纳米管的直径范围为 5-20 nm。在钠离子电池中，椰子油衍生的碳材料在 100 mA?g-1下，CNP 和 c-CNP 的初始放电容量分别为 507 和 733 mAh?g-1。到第 2 次循环时，CNP 和 c-CNP 保留的比容量分别为 278 和 277 mAh?g-1。
钠离子电池负极材料的机制
许多有前景的硬碳材料已被提出用于作为钠离子电池的负极材料，但关于 Na+存储机制仍存在争议。深入了解循环过程中的钠吸收可以为先进电极材料的关键特性提供有价值的见解。硬碳中支持 Na+存储的活性位点通常包括孔隙、缺陷、杂原子以及其他结构特征。
SWOT 评估
SWOT 矩阵广泛应用于不同领域，特别是用于对材料进行全面评估和战略评估。在钠离子电池的背景下，它被用作分析生物质基硬碳的 SWOT 的战略工具。优势强调硬碳材料与其他材料相比的优势，劣势识别可能导致不利结果的缺点，机会涉及可能影响材料发展的外部因素，威胁则是可能阻碍材料应用的外部挑战。
结论
随着锂需求的增加和资源的日益有限，钠离子电池作为下一代电池的有前途的替代品已受到广泛关注。然而，高效负极材料的发展缓慢阻碍了其进步。硬碳因其 affordability、丰富性和 substantial reversible capacity 而变得越来越有吸引力。除了硬碳，其他生物质基碳材料最近也崭露头角。这些材料为钠离子电池的发展提供了新的方向和可能性，有望在未来的能源存储领域发挥重要作用。
未引用参考文献
Al - Awadi 等人，2023；协会，2022；Insights；NationsF. a. A. O. o. t. U.，2020。
利益声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢 CSIR - 印度石油研究所（Dehradun）所长的持续鼓励和支持。AK 感谢 AcSIR 允许在 CSIR - IIP 进行研究工作，并感谢新德里大学 Grants Commission（UGC）提供的奖学金。
