基于玉米秸秆双碳源构建ZnO@C/N掺杂碳复合材料及其高效锂存储性能研究

本研究针对锂离子电池（LIBs）负极材料石墨比容量低（372 mAh g?1 ）和氧化锌（ZnO）导电性差、体积膨胀严重（~221%）等问题，通过碳凝胶与玉米秸秆双碳源策略，成功制备了ZnO@C/N掺杂碳复合材料。该材料在500 mA g?1 下实现448.7 mAh g?1 的首圈充电容量，96.1%库伦效率，且全电池性能优异，为低成本、可持续的高性能LIBs负极材料开发提供了新思路。

　　

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论文解读

在新能源汽车和便携电子设备快速发展的今天，锂离子电池（LIBs）的能量密度和循环寿命成为制约其应用的瓶颈。传统石墨负极理论容量仅372 mAh g^?1
，而过渡金属氧化物如氧化锌（ZnO）虽具备高理论容量（>600 mAh g^?1
），却因充放电过程中221%的体积膨胀和本征导电性差，导致电极粉化、SEI膜不稳定等问题。如何通过材料设计兼顾高容量与长循环稳定性，成为研究者面临的“阿喀琉斯之踵”。

河南教育厅资助的研究团队另辟蹊径，从农业废弃物中寻找突破口。他们以玉米秸秆和碳凝胶为双碳源，构建了ZnO纳米颗粒锚定于三维多孔氮掺杂碳骨架的复合材料（ZnO@C/N?doped carbon）。这一“变废为宝”的策略不仅降低了成本，更通过独特的结构设计实现了性能突破：材料在200 mA g^?1
下首圈放电容量高达1566.7 mAh g^?1
，100次循环后仍保持641.3 mAh g^?1
；与商用LiMn₂
O₄
正极组装的完整电池，首周效率达96.1%，展现出产业化潜力。相关成果发表于《Journal of Energy Storage》。

关键技术方法
研究采用碳凝胶聚合-高温热解两步法：先将Zn(NO₃
)₂
·6H₂
O与间苯二酚-甲醛溶液浸渍玉米秸秆，85°C真空成胶后600°C惰性气氛碳化。通过XRD、FESEM、(HR)TEM等多尺度表征确认ZnO纳米颗粒（~20 nm）均匀分散于碳基质；XPS证实氮掺杂（N?C=O键）提升导电性；BET测试显示三维多孔结构（比表面积189 m²
g^?1
）促进电解液渗透。

研究结果

1. Powder preparation and treatment
   玉米秸秆的天然孔道为碳凝胶提供自组装模板，形成的分级孔隙（微孔-介孔协同）有效缓冲体积膨胀。TGA显示复合材料碳含量达38.5wt%，Raman的I_D
   /I_G
   比值（1.03）表明高缺陷碳有利于锂离子存储。

2. Results and discussion
   电化学测试揭示材料动力学优势：EIS显示电荷转移电阻（R_ct
   ）仅47 Ω，GITT计算锂离子扩散系数（D_Li+
   ）为2.3×10^?14
   cm²
   s^?1
   ，显著优于纯ZnO。原位XRD证实碳骨架抑制ZnO晶格畸变，使充放电过程可逆性提升。

3. Conclusions
   该研究开创性地将生物质碳源与纳米工程结合，解决了ZnO负极的关键科学问题：氮掺杂碳提升导电性，三维孔隙缓解机械应力，纳米ZnO缩短Li⁺
   扩散路径。全电池性能验证了材料在实际体系中的适用性，为绿色能源存储材料开发提供了“一石三鸟”的解决方案——高性能、低成本、环境友好。

讨论与展望
尽管材料在2 A g^?1
大电流下容量保持率仍有提升空间，但这项工作为生物质碳在能源领域的应用树立了新范式。未来通过优化秸秆预处理工艺或引入其他生物模板，有望进一步突破性能极限。正如研究者Jian Chen团队强调的，这种“从田间到实验室”的策略，或将改写下一代LIBs负极材料的游戏规则。