利用狗尾草籽生物质制备硬碳负极及其在钠离子电池中的应用研究

《Journal of Renewable Materials》：Biomass-Derived Hard Carbon Anodes from Setaria Viridis for Na-Ion Batteries

为解决钠离子电池(SIBs)负极材料因钠离子半径较大难以嵌入石墨的问题，研究人员以狗尾草(Setaria viridis)籽为前驱体，通过化学蚀刻调控杂质含量，开发出高性能生物质硬碳(HC)负极。优化后的材料在0.04 A g?1电流密度下可逆容量达198 mAh g?1，揭示了硅基杂质对微观结构形成与电化学性能的影响，为杂质富集生物质的高值化利用提供了新策略。

　　

随着新能源汽车产业的快速发展，全球锂资源短缺问题日益凸显。锂离子电池(Lithium-Ion Batteries, LIBs)虽广泛应用，却受限于锂资源分布不均、低温性能差及成本高昂等瓶颈。与此同时，钠离子电池(Sodium-Ion Batteries, SIBs)因钠资源储量丰富、成本低廉且电化学特性与LIBs相似，被视为大规模储能系统的理想替代方案。然而，钠离子半径(0.102 nm)远大于锂离子(0.072 nm)，难以嵌入传统石墨负极，亟需开发适用于SIBs的新型负极材料。

生物质衍生硬碳(Hard Carbon, HC)因其可再生性、低成本成为SIBs负极研究热点。然而，生物质前驱体常含大量无机杂质（如硅基物质），这些杂质在热解过程中会堵塞孔隙、影响微观结构形成，进而劣化电化学性能。广东工业大学研究团队选取广泛分布的狗尾草(Setaria viridis)籽为原料，通过化学蚀刻工艺调控杂质含量，系统研究了杂质对硬碳微观结构及储钠性能的影响机制。

为开展研究，团队采用多种关键技术方法：首先对狗尾草籽进行超声清洗与酸预处理，随后通过300°C预氧化增强材料稳定性；分别采用盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)溶液对前驱体进行化学蚀刻，以去除无机杂质；最后在1300°C氩气氛围下碳化制备硬碳材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)等技术表征材料微观结构，并通过恒电流充放电、循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等评估电化学性能。

3.1 样品表征

傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示狗尾草籽含木质素、淀粉等组分，碱蚀刻样品(SV-300n)的O–H和脂肪族C–H峰减弱，表明结构更致密。热重分析(TGA)表明预氧化温度300°C可有效促进交联。XRD证实原始样品(SV-300)含石英相SiO₂杂质，碱蚀刻可显著降低杂质含量，并增大石墨微晶层间距（SV-300n达0.374 nm）。拉曼光谱显示蚀刻后样品D带与G带强度比(I_D/I_G)升高，表明石墨化程度降低。氮气吸附-脱附测试表明碱蚀刻使比表面积从78.9增至127.9 m²g^?1，并促进2–10 nm介孔形成。

3.2 电化学性能

电化学测试显示，碱蚀刻样品(SV-300n)具有最优可逆容量(198 mAh g^?1)和平台容量(111 mAh g^?1)，首周库伦效率(ICE)达64%。未蚀刻样品(SV-300)因杂质存在出现0.8 V异常放电平台，且容量仅为127 mAh g^?1。循环性能方面，SV-300n虽初始容量高，但100周后容量保持率仅45%，可能因过度蚀刻破坏孔结构稳定性。倍率测试中SV-300n在20–2000 mA g^?1电流密度下均表现最佳，且恢复至20 mA g^?1后容量达230 mAh g^?1，显示良好可逆性。动力学分析表明SV-300n的钠离子存储以电容控制为主(b值=0.64)，EIS测试其电荷转移电阻(R_ct)为113 Ω，高于SV-300(85 Ω)，可能与封闭孔隙增加有关。

4 结论与讨论

本研究成功将狗尾草籽转化为高性能SIBs硬碳负极，揭示了化学蚀刻对杂质去除及微观结构调控的关键作用。碱蚀刻可有效去除硅基杂质，增加介孔体积，提升平台容量，但过度蚀刻会削弱石墨微区稳定性，导致循环性能下降。研究表明，温和去除杂质是兼顾容量与稳定性的关键，为高杂质生物质前驱体的高值化利用提供了理论依据与实践路径。该工作发表于《Journal of Renewable Materials》，对推动可再生材料在储能领域的应用具有重要意义。