《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Biomass-Derived Carbon Bioproducts for Rechargeable Batteries: Conversion Strategies, Functional Properties, and Scalability
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生物质衍生生物碳正成为一种可规模化、低影响的化石碳替代方案，用于电池电极，以应对日益增长的电力需求和严格的气候目标。将农业和林业残余物转化为功能性碳材料，支持循环经济战略，同时减少对开采石墨的依赖，后者每千克排放约9–10 kg CO2-eq。随着电池市场在交
生物质衍生生物碳正成为一种可规模化、低影响的化石碳替代方案，用于电池电极，以应对日益增长的电力需求和严格的气候目标。将农业和林业残余物转化为功能性碳材料，支持循环经济战略，同时减少对开采石墨的依赖，后者每千克排放约9–10 kg CO2-eq。随着电池市场在交通运输、电网储能和消费电子领域的扩张，对兼具高比容量、长循环寿命、低生产成本和较小环境足迹的电极材料需求日益增长。近期研究表明，工程化生物碳能够在多种电池化学体系中满足上述要求，且可由丰富、低成本的原料生产。本综述讨论了利用生物质衍生生物碳制备电池电极的不同方面。热化学路径，如热解和水热碳化（HTC），能够定量调控孔隙率、石墨化程度和杂原子含量，建立起清晰的结构-性能关系。优化后的生物碳电极在多种电池体系中表现优异，锂离子负极容量高达约700 mA·h/g，锂硫正极初始放电容量超过1500 mA·h/g，钠离子硬碳负极容量超过300 mA·h/g，循环稳定性通常超过500–1000次。综合技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和技术就绪水平（TRL）表明，硬碳生产成本约为1.5–3.5元/千克，相对于石墨的全球变暖潜势（GWP）降低50%–60%，且最成熟的生物碳路线已进入中试至商业前部署阶段。
一、研究背景与问题
随着电气化、便携式电子设备和电网级储能的快速扩张，电极材料的需求日益增长，要求其兼具高容量、长循环寿命、低成本和低环境影响。可充电电池虽已成为现代电化学储能的核心，但其大规模部署仍受制于传统碳材料——尤其是石墨及其他化石衍生碳——的成本、供应风险和环境负担。高性能碳材料如石墨烯、富勒烯和碳纳米管虽性能优异，但合成路线复杂、产率低、生产成本高。相比之下，由可再生原料生产的生物碳提供了一条更可持续的功能碳材料制备路径，同时保留高效电荷存储与传输所需的结构特征。设计良好的生物碳可呈现分级孔网络、丰富表面官能团和可调杂原子含量，从而改善离子可及性、增强导电性和电化学活性。
多种生物质资源已被探索用于碳材料生产，包括农业残余物、林业副产品和其他木质纤维素废弃物。这些原料丰富、可再生且常未被充分利用，是增值碳生物产品的理想前驱体。其转化为电极级碳可通过热解、等离子体辅助热解、气化、水热碳化（HTC）、熔盐碳化和电化学碳化等多种路径实现。这些方法决定了孔结构、石墨化程度、缺陷密度和表面化学的演变，从而控制所得碳材料的功能特性。特别是温度、停留时间、活化剂和后处理步骤显著影响比表面积、离子扩散路径、导电性和活性位点密度，这些共同决定电池性能。
近期研究表明，生物质衍生碳可在锂离子（LIB）、锂硫（Li-S）、锂硒（Li-Se）、钠离子（SIB）和钾离子（KIB）等多种电池化学体系中作为活性负极、导电基体和多功能添加剂。其性能与分级孔隙率、杂原子掺杂、石墨化和界面特性等可控结构特征密切相关。该领域已从早期关于生物质衍生无序碳的可行性研究，发展到基于孔隙调控、杂原子调谐、界面稳定化和可规模化加工的更具控制性的设计。同时，领域开始超越实验室性能指标，转向技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和技术就绪水平（TRL）评价，反映出对工业相关性和可持续性的日益关注。
现有综述大多聚焦于特定电池化学体系或材料类别，对经济可行性、环境绩效和工程转化关注有限。本综述因此提供了一个更广阔的视角，将生物资源转化策略与功能特性、电化学性能和可规模化性联系起来，并整合TEA、LCA和TRL考量，以评估生物质衍生碳能否切实支撑大规模电池部署。此外，本综述还涵盖人工智能在预测和优化生物碳电池应用中的作用，推动该领域从描述性报告向可规模化储能的预测性路线图转变。
二、主要技术方法
研究人员系统梳理了生物碳电极生产的多种转化路径。热解是最成熟的路线，在约350–700°C惰性气氛下热分解生物质，温度是控制元素组成、表面结构、缺陷密度和导电性的主导因素。等离子体辅助热解通过高能物种加速分解，促进碳结构重组和孔隙发育，但存在高资本成本和效率挑战。气化在500°C以上限氧条件下将生物质转化为合成气、焦油和生物碳，生物碳作为副产品产出。水热碳化（HTC）在180–300°C自生压力下进行，无需预先干燥，特别适合高水分原料。新兴技术包括熔盐碳化，在500–800°C熔盐介质中一步完成碳化和活化；以及电化学碳化，通过受控电位和界面反应从溶液相前驱体构建纳米结构碳。研究还涉及多种生物质原料，包括农业残余物、林业副产品、木质纤维素废弃物等。
三、研究结果
3.1 生物碳在负极中的应用
在锂离子电池（LIB）中，生物碳可直接用作负极或与硅、金属氧化物、硫化物或导电碳复合形成复合电极。代表性研究表明，设计良好的生物碳可实现与石墨相当或更优的性能。例如，源自水葫芦的杂原子富集蜂窝状生物碳经KOH活化后，在50 mA/g下初始可逆容量达697 mA·h/g，在3000 mA/g下倍率容量为229.7 mA·h/g，循环稳定性优于商业石墨。复合负极进一步凸显了生物碳框架的多样性：玉米秸秆衍生多孔生物碳与VS4复合后，在1 C下100次循环后容量为503.8 mA·h/g；生物石墨通过蒸汽重整获得，实现1.67 mA·h/cm2的实际容量，但初始库仑效率仅46%。LIB负极性能强烈依赖于前驱体组成和后处理，高比表面积和分级孔改善锂存储和倍率行为，石墨化有序性和杂原子保留增强导电性和反应动力学。
3.2 生物碳在正极中的导电添加剂应用
生物碳在正极中作为导电添加剂和基体框架，可改善电子传输、缓冲体积变化并限制可溶性中间体。在Li-S体系中，多孔碳基体对提高硫利用率和抑制多硫化物穿梭至关重要。菜籽粕衍生活化生物碳（比表面积3227 m2/g）在0.05 C下初始容量1222 mA·h/g，0.5 C下100次循环后保持589 mA·h/g。椰壳衍生生物碳在0.5 C和2 C下分别实现1599和1500 mA·h/g的放电容量，2 C下400次循环后保持517 mA·h/g。与CoO纳米颗粒复合时，生物碳同时作为导电基体和活性基体，初始放电容量930.5 mA·h/g，1 C下800次循环每循环容量衰减仅0.069%。在Li-Se电池中，枣核衍生活化生物碳在1 C下初始放电容量1000 mA·h/g，400次循环后保持283.17 mA·h/g。这些研究表明生物碳是多功能导电添加剂，同时增强电荷传输和活性材料利用率。
3.3 钠离子电池
钠离子电池（SIB）是LIB最有前景的替代方案之一，但石墨在SIB中性能不佳，因钠离子较大且形成热力学不利的石墨插层化合物，容量仅约30 mA·h/g。生物碳的涡轮层结构和可调层间距有利于钠的嵌入和吸附。松木、白蜡木、芒草和小麦秸秆衍生的生物碳首效为65%–85%，可逆容量224.4–323.8 mA·h/g，其中松木表现出效率与容量的最佳平衡。木质和农业残余物中木质素含量较高、灰分较低者钠存储行为更好。生物碳在SIB中面临低初始库仑效率（ICE）的挑战，源于过量电解质分解、不可逆化学和缺陷位点捕获。三种针对性补救策略包括：预钠化技术、电解质工程（如FEC添加剂或醚类溶剂）和表面操控（如表面涂层或原子层沉积ALD）。结构调控也可进一步改善性能：木质素低温预氧化引入羰基、限制石墨层生长并增大层间距，在碳酸丙烯酯和甘醇二甲醚中分别实现307和336.4 mA·h/g的容量。
3.4 钾离子电池
钾离子电池（KIB）因钾丰富廉价而受关注，但K?的大离子半径对电极材料施加更大机械和动力学应力。生物碳的无序结构、加宽层间距、分级孔隙和杂原子掺杂有利于离子传输和减少结构退化。玉米壳衍生生物碳初始放电和充电容量分别为396.2和231.0 mA·h/g，100次循环后容量保持率89.1%，1 A/g下500次循环后保持约135.3 mA·h/g。氮掺杂多孔甘蔗渣衍生碳在200 mA/g下400次循环保持100.4 mA·h/g，容量衰减极小。钾存储最受益于结合加宽层间距、杂原子富集表面和机械稳定多孔框架的碳材料。总体而言，KIB性能虽仍落后于最佳LIB和SIB体系，但生物质衍生碳为更稳健和可及的钾存储电极提供了有前景的路径。
四、电荷存储机制
生物碳电极的电化学性能取决于碱金属离子（Li?、Na?、K?）或硫属元素（S、Se）与碳框架的相互作用，涉及吸附、插层和赝电容等多种电荷存储机制。与石墨几乎完全通过有序层间插层存储电荷不同，生物碳因其无序结构和杂原子缺陷而呈现多种存储模式。吸附涵盖物理吸附和化学吸附：物理吸附由非法拉第双电层电容（EDLC）驱动，电解质离子在电极-电解质界面静电积累而无电荷转移；化学吸附涉及离子与表面官能团或缺陷位点的相互作用。插层则是离子嵌入碳层间。生物碳的非晶多孔网络结构、高缺陷密度和可及孔表面为离子传输和吸附位点访问提供了路径。理解这些机制对于从生物碳源材料进行理性电极设计至关重要。
五、结论与展望
本综述系统评估了生物质衍生碳生物产品在可充电电池中的应用前景。热化学转化路径能够定量调控生物碳的孔隙率、石墨化程度和杂原子含量，建立清晰的结构-性能关系。优化后的生物碳电极在LIB、Li-S、Li-Se、SIB和KIB等多种电池体系中均表现优异，循环稳定性通常超过500–1000次。技术经济分析表明硬碳生产成本约1.5–3.5元/千克，生命周期评估显示相对于石墨的全球变暖潜势降低50%–60%，最成熟的生物碳路线已进入中试至商业前部署阶段。该综述的独特贡献在于整合了技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和技术就绪水平（TRL）考量，并涵盖人工智能在预测和优化生物碳电池应用中的作用，推动该领域从描述性报告向可规模化储能的预测性路线图转变。论文发表在《Journal of Bioresources and Bioproducts》。
