木质纤维素废弃物气化生物炭制备高性能生物石墨负极材料的分析与应用研究

推荐：本研究针对锂离子电池(LIB)负极材料对化石石墨的依赖问题，通过间接加热鼓泡流化床蒸汽重整器(IHBFBSR)将木质纤维素废弃物气化生物炭转化为生物石墨(biographite)，并评估其电化学性能。结果表明，该材料结晶度高(d-间距3.4 ?)、比容量达理论值的96%(357 mAh/g)，但存在初始库仑效率低(46%)和颗粒不均等问题。研究为可再生负极材料开发提供了新思路，推动生物质全组分高值化利用。

　　

随着全球电动汽车(EV)产业爆发式增长，锂离子电池(LIB)关键材料面临严峻的可持续性挑战。传统石墨负极依赖不可再生的矿物石墨或需3000°C高温制备的石油焦合成石墨，且全球分布不均被欧盟列为战略材料。更棘手的是，硅基负极等替代方案虽能提升容量，但其成本是石墨的6倍且循环稳定性不足。在此背景下，荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)与Petrogas公司合作，创新性地将木质颗粒气化副产物——仅占原料1.2wt%的生物炭，通过铁催化石墨化转化为高性能生物石墨负极，相关成果发表于《Biomass and Bioenergy》。

研究人员采用多学科交叉方法：首先使用50 kW_th IHBFBSR反应器在836°C制备高碳含量(96wt%)生物炭；随后通过Fe(NO₃)₃催化在1000°C实现石墨化；采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，Brunauer-Emmett-Teller(BET)法测定比表面积；最后组装半电池测试电化学性能，结合恒电流间歇滴定技术(GITT)评估锂扩散动力学。

3.1 IHBFBSR生物石墨结构与组成
XRD显示生物石墨呈现典型石墨峰(2θ=26.5°)，晶体尺寸达34.29 nm，与商业石墨相当。但BET比表面积(126.91 m²/g)显著高于商业产品(5-20 m²/g)，扫描电镜(SEM)显示1-20 μm的异质颗粒分布，EDS检测到1.6wt%残留铁杂质。

3.2 锂电池负极性能
电化学测试展现三大特征：1)首次循环即达到理论容量的96%，但初始库仑效率(ICE)仅46%，归因于高比表面积导致的电解液分解；2)静置6个月后容量从357 mAh/g衰减至265 mAh/g，三电极测试证实石墨剥落是主要衰减机制；3)GITT显示锂扩散系数与商业石墨相当，但颗粒不均导致局部过电位。

这项研究首次证实气化生物炭经低温(1000°C)石墨化可制备高性能负极材料，相比热解路线具有协同生产高值合成气的优势。尽管需解决ICE低和颗粒均一性问题，但该工艺将废弃物转化率提升至新高度——每吨木质颗粒可同步产出83.3 kg生物石墨（按1.2%收率计）与清洁能源，为生物精炼厂提供"碳负"解决方案。研究团队特别指出，通过优化酸洗浓度(如提升至2M HCl)和添加VC等电解液添加剂，有望将ICE提升至商业水平，这项突破或将改写欧盟关键材料供应链格局。