生物质衍生功能化生物炭作为先进储能应用的可持续电极材料

《Energy Conversion and Management-X》：Biomass-derived functionalized biochar as a sustainable electrode material for advanced energy storage applications

　　

生物质衍生生物炭可作为储能应用的可持续来源。生物炭的活化可增强其比表面积（specific surface area, SSA）与孔隙率。稳健的碳骨架可作为高效的电极材料。功能化生物炭可促进有效的离子传输与存储。上述特性与循环经济及碳封存原则相一致。

全球人口增长与电气化进程推动电力需求持续攀升，预计2026—2030年全球电力需求年均增速达3.6%，但仍有约11.8亿人口面临电力短缺。风能、太阳能等可再生能源虽被广泛开发，却受气候条件制约且初始投资高昂，难以独立支撑稳定供电。因此，先进储能技术成为平衡能源供需的关键。锂离子电池、钠离子电池和超级电容器等器件的性能高度依赖电极材料，而传统商用碳材料（如碳黑、石墨）来源于化石燃料，不仅成本高，还伴随显著的环境负担。生物炭由废弃生物质经热化学转化制得，具有多孔结构、可调控表面化学性质和杂原子掺杂潜力，被视为兼具经济可行性与环境友好性的电极材料替代方案。本综述系统梳理了废生物质衍生生物炭的生产路径、活化策略、理化性质及其在锂离子电池、钠离子电池、固态电池、金属-空气电池、超级电容器、氢存储等储能系统中的应用。研究人员指出，通过选择适宜原料与热解条件，可定向调控生物炭的比表面积、孔隙率、石墨化程度和导电性；物理活化与化学活化能显著提升孔结构和电化学性能；杂原子掺杂及金属氧化物复合等功能化策略可进一步优化电极性能。同时，生物炭具有负碳足迹和低成本优势，与循环经济及碳封存目标高度契合，为可持续能源存储提供了可行路径。
为开展上述研究，研究团队主要采用慢速热解（300–600 °C，5–7 °C min^?1）、快速热解、微波辅助热解、真空热解和水热碳化等工艺制备生物炭，并通过物理活化（CO₂、蒸汽）和化学活化（KOH、KHCO₃、ZnCl₂、H₃PO₄等）提升性能。材料表征借助N₂吸附-脱附、SEM、XRD、Raman光谱及循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）、电化学阻抗谱（EIS）等技术。原料来源涵盖食物垃圾（橙皮、马铃薯皮等）、农业和林业残余物（稻壳、玉米芯、木屑）、污水处理污泥、微藻生物质（如Dunaliella salina）及坚果壳等废弃资源。
在废生物质衍生生物炭的生产路径、活化策略、性质与可持续性方面，研究人员系统分析了各类废弃原料的特点：木质素含量高的原料有利于形成芳香碳骨架和固定碳，提升导电性；纤维素和半纤维素则促进孔隙发育和含氧官能团的生成。研究表明，慢速热解是生物炭产率较高的主要方法；物理活化和化学活化可将比表面积提升至近3000 m² g^?1。高温热解促进芳香化与石墨化，使层间距从3.70 ?（400 °C）降至3.51 ?（600 °C），从而增强导电性。可持续性评估显示，生物炭的碳足迹为?2.0至?3.3 kg CO₂-eq kg^?1，生产能耗仅2.65–3.50 MJ kg^?1，零售价格为0.15–5 USD kg^?1，明显低于商业人造石墨（其生命周期排放达29.7 kg CO₂-eq kg^?1）。
在生物炭于储能系统中的应用方面，研究人员发现，锂离子电池中生物炭硬碳呈现斜坡区（缺陷与微孔吸附）和低电压平台区（石墨层间插层）的双机制储锂行为；例如800 °C制备的竹源生物炭可逆容量达230 mAh g^?1，且450次循环后容量保持率为100%。钠离子电池中，生物炭凭借无序碳结构和微孔可容纳Na⁺，准球形生物炭的比表面积达536.52 m² g^?1、层间距为4.11 ?，有利于钠离子传输。固态电池领域，球形葡萄糖衍生生物炭用于锌-空气电池，实现101.2 mW cm^?3的功率密度。金属-空气电池中，N掺杂大豆秸秆生物炭负载碳化钼和氮化铁后，锌-空气电池功率密度达88.40 mW cm^?2，循环寿命达1150 h。超级电容器方面，KOH活化生物炭（如Tenebrio molitor粪便生物炭）在10,000次循环后保持90.47%容量；氮硫共掺杂绿豌豆皮生物炭比电容为257.01 F g^?1；镍负载生物炭赝电容达386.7 F g^?1。氢存储研究中，生物炭的氢吸附量与比表面积及超微孔体积直接相关，比表面积从687增至3771 m² g^?1时，储氢量从2.1 wt%升至8.9 wt%。
在生物炭作为电极材料方面，碳基生物炭依靠多级孔道和杂原子官能团促进离子传输；复合材料通过引入MnO₂、SnO₂、ZnO等金属氧化物提供额外氧化还原活性位；功能化生物炭如S掺杂山茶衍生生物炭在15,000次循环后仍保持98%容量，能量密度达34.5 Wh kg^?1。未来挑战主要包括活化剂的环境影响、生物炭规模化生产及表界面机制理解不足。研究方向应聚焦于开发新型废弃原料、与石墨烯及导电聚合物复合，并建立结构-性能关系。结论指出，全球废资源生物炭产量正以91%的复合年增长率扩张，通过活化、掺杂和复合策略可弥补原始生物炭性能不足，并按照短期（1–3年）构效关系建立与标准化、中期（3–7年）规模化及废弃物整合、长期（>10年）AI驱动的工程化孔结构与碳封存协同的三阶段路线实现商业化，最终推动可持续储能技术发展。