利用富碳废弃资源用于下一代金属-空气电池：电化学参数、性能评估技术与电池分类

《ACS Sustainable Resource Management》：Harnessing Carbon-Rich Waste Resources for Next-Generation Metal?Air Batteries: Electrochemical Parameters, Performance Evaluation Techniques, and Battery Classification

　　

本综述概述了电池技术中的基本理论原理，重点介绍了性能评估技术，包括充放电测试（charge/discharge test）、循环伏安法（cyclic voltammetry, CV）、直流电阻（direct current resistance, DCR）、恒电流间歇滴定技术（galvanostatic intermittent titration technique, GITT）、电位间歇滴定技术（potentiostatic intermittent titration technique, PITT）和电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）。该综述探讨了从富碳废弃资源中开发金属-空气电池（metal–air battery）阴极及其种类，进一步强调了清洁能源对于应对不断上升的CO₂排放和资源管理枯竭的必要性。碳基功能材料，如石墨烯（graphene）和碳纳米管（carbon nanotubes），在解决全球能源危机的各种应用中已显示出有前景的结果。然而，其高昂的制备成本和有限的制造产量仍然限制了其广泛的实际应用。因此，有必要从低成本、富碳的废弃资源中开发碳基功能材料。近年来将各种富碳废弃物转化为有用碳基功能材料的进展因此既有利于能源领域，也有利于废弃物管理。尽管实验室规模的研究迅速增加，展示了优异的电化学性能，但将这些材料转化为实际和商业应用仍然有限。本综述总结了废弃衍生碳基功能材料的合成技术、结构改性（如活化、碳化和掺杂）的研究进展，以及它们在各种金属-空气电池（包括Zn–air、Li–air、Na–air、Al–air和Mg–air电池）中的性能，并提供了超越性能评估的视角，探讨了影响废弃衍生碳实际可行性的基本和实际方面。因此，本综述概述了电池研究的基本电化学技术，总结了废弃衍生碳材料作为金属-空气电池阴极材料的最新进展，讨论了它们对性能和可持续性的影响，并提出了关键的未来方向和可能的研究空白，从而为更好的前驱体选择、合成技术和性能技术提供方向。

**研究背景与意义**
随着化石燃料储备枯竭，可再生能源的利用日益重要，而储能系统能解耦输出与消耗的时间差，成为关键环节。电化学储能装置（如电容器、电池）因响应快、设计灵活而备受关注，但传统电容器能量密度有限，电池系统虽能实现更高能量密度（100–300 Wh/kg），仍面临能量损失和成本问题。同时，城市化、工业革命和人口增长导致废弃物（如有机废料、石油废料）大量堆积，管理不善造成污染。尽管碳基功能材料（如石墨烯、碳纳米管）在能源应用中表现优异，但高制备成本和有限产率限制了规模化应用。因此，利用低成本富碳废弃物开发碳基功能材料，既能满足清洁能源需求（应对CO₂排放上升和资源枯竭），又能解决废弃物管理问题。本文针对这一需求，综述了废弃衍生碳材料在金属-空气电池（metal–air battery）中的最新进展，为推进可持续能源存储提供方向。该论文发表于《ACS Sustainable Resource Management》。

**关键技术方法**
研究人员主要采用了电化学性能评估技术，包括充放电测试、循环伏安法（CV）、直流电阻（DCR）法、恒电流间歇滴定技术（GITT）、电位间歇滴定技术（PITT）和电化学阻抗谱（EIS），以分析电池的容量、开路电压（OCV）和极化行为。在材料制备方面，通过热解、活化（化学活化如KOH处理，物理活化如CO₂或蒸汽）、模板法以及杂原子掺杂（如N、S、P）或金属/金属氧化物修饰，将多种废弃物（生物质、塑料、石油副产物等）转化为多孔碳材料，并评估其作为空气阴极在锌-空气、锂-空气、钠-空气、铝-空气和镁-空气电池中的性能。

**研究结果**
1. **电池系统理论基础**：概述了电池热力学公式（如Nernst方程、Butler–Volmer方程），说明吉布斯自由能、电动势（EMF）及极化效应（活化极化、浓度极化、欧姆极化）对实际电压和能量密度的影响。理论能量密度受电极材料摩尔质量及反应吉布斯自由能决定，但实际值仅为理论值的1/5至1/3。

2. **电化学表征技术**：介绍了评估电池性能的关键参数，如荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）以及容量、OCV等。常用技术包括：循环伏安法（分析氧化还原行为）、充放电测试（测量容量和循环性）、EIS（评估阻抗和电荷转移动力学）、GITT和PITT（测定扩散系数），以及DCR（测量内阻）。这些方法共同揭示电极材料的行为和电池运行状态。

3. **金属-空气电池及其变体**：详述了不同金属-空气电池（Zn–air、Li–air、Na–air、Al–air、Mg–air）的电化学反应机理、理论电压和实际性能。例如，Zn–air电池理论电压1.65 V，但实际因极化而降低；Al–air电池不可充电；Mg–air电池面临放电产物（MgO、Mg(OH)₂）分解困难。碳材料作为空气阴极，利用其多孔结构和导电性促进氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER），但因动力学缓慢需要高效双功能催化。废弃物衍生碳通过掺入杂原子或金属纳米粒子可显著增强催化活性。

4. **水性金属-空气电池工程**：重点综述了不同废弃物衍生碳在Zn–air、Al–air和Mg–air电池中的性能。例如：
- **Zn–air电池**：Zhang等通过KOH和硫脲浸渍洋葱片热解制备N,S-HPC，获比表面积1859 m2/g，ORR半波电位-0.15 V，显著优于商业Pt/C。Li等利用中药残留物ATR制备N掺杂多孔碳BRCAC8502，半波电位0.85 V，在Zn–air电池中稳定运行135 h。Zhao等用桉木蒸煮红液以NH₄Cl辅助碳化获得BLC-N/S-1000，比表面积1092 m2/g，OCV 1.45 V，稳定循环356 h。
- **Al–air电池**：Xu等以菊花为前体制备N,S双掺杂多孔碳NSC800，OCV达1.64 V，峰值功率密度51 mW/cm2。Sumboja等用花生壳废弃物衍生FeCo/N-C-Pistachio催化剂，功率密度99.7 mW/cm2，持续放电5 h。Liu等用玉米秸秆制备NCAC-Co，半波电位0.743 V vs RHE，功率密度54.6 mW/cm2。
- **Mg–air电池**：Ishibashi等利用海菠萝壳纤维素纳米纤维和血粉制成“纳米血炭”（NBC），在Mg–air纸电池中OCV 1.57 V，功率密度55.7 mW/cm2，且具有ORR/OER双功能活性。

5. **非水性及混合金属-空气电池**：综述了非水性Li–air和Na–air电池中废弃物衍生碳的应用。例如：
- **非水性Li–air电池**：Arjunan等用槟榔核制备BNAPC，比表面积768 m2/g，在氧气中放电容量9650 mAh/g，循环27次。Sun等用废烟头衍生C–N纤维负载Ru，初始放电容量12036 mAh/g，循环超800次（4000 h）。Huang等用杨树花序制备N-PIAC，放电容量12060 mAh/g，稳定循环220次。
- **非水性Na–air电池**：Murugesan等用废树叶制备高多孔碳（HPC）并掺杂N/S，N-HPC在Na–air电池中功率密度160 mW/g，效率约83%，循环超30次。
混合型Li–air电池（如Kim等用废纸和橙子衍生碳MPC）也表现出70%的往返效率，循环20次以上。

**讨论与结论**
讨论部分（第7节）指出了六大挑战：① 过量孔隙可能导致结构坍塌，需优化活化条件；② 杂原子掺杂可能降低导电性，需平衡浓度；③ 性能与孔隙结构、官能团关系需精确调控；④ 废弃物批次差异导致性能不一致，需多批次测试并控制杂质；⑤ 储能机理理解尚浅，需先进表征辅助；⑥ 规模化生产仍处早期，需建立从废物转化到全电池组装的循环设计。未来方向包括开发低能耗合成方法（如温和热解、水热碳化），结合痕量杂原子或功能添加剂，以及将废弃碳融入现有电池生产线而非全新架构。
结论部分（第8节）指出：本综述概述了电池技术的理论概念、评估参数及电化学技术（CV、充放电测试、DCR、GITT、EIS、PITT），并深入介绍了金属-空气电池及其类型。废弃物衍生碳材料因可持续性和低成本在电池应用中极具吸引力，但加速商业化需要批判性评估现有研究范式。许多研究缺乏长期循环、倍率性能和温度依赖性评估，而这些对实际应用至关重要。未来应开发可规模化、低能耗的合成工艺（如温和热解和水热碳化），并确保材料质量和性能可重复。将废弃碳材料整合到现有电池制造流程中，而非依赖全新器件架构，是实现商业化的最实际路径。