生物炭材料制備鋰離子電池負極的研究

代鏡濤 楊 瑛*

(1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

鋰離子電池從20世紀60年代開始研究，20世紀90年代初期日本的索尼公司成功研制出可運用于實際生產生活中的鋰離子電池，自此以后，鋰離子電池憑借出色的充放電優勢及具有較高的能量密度和循環壽命，成功取代鋅錳干電池、鉛酸電池、鎳鎘電池等，在世界上快速普及開來。隨著工業技術的推進，國家新能源戰略的推行，未來對于鋰離子電池及其材料的需求無可估量、其配套的上下游產業鏈也飽含巨大市場[4]。

我國發展鋰離子電池產業已有20余年的歷史，目前已完成主要核心原材料的國產化，如正極材料、負極材料、電解液、隔膜等，一些終端產品也基本在國內完成了本土化生產。鋰離子電池負極對于整個電池的性能起到了至關重要的作用，因此，廣大科研人員選用大量材料制備鋰離子電池負極，雖然經常有新型負極材料被發現，但是都因為含有各種缺陷而最終無法商業化應用，近些年來人們將目光投向了天然的農業副產品，例如：稻殼、咖啡殼、菠蘿皮、茶葉、甘蔗等。將這些天然的農業副產品，通過熱解作用制備成生物炭后，經過一系列調配得到鋰離子電池負極材料。經測試，此類生物炭作為負極材料制備而來的鋰離子電池首次充電容量遠遠超出以石墨為負極材料制備的鋰離子電池的充電容量[1]。

1 鋰離子電池的工作原理

如今的鋰離子電池主要是由正極、負極、隔膜、電解液4個部分組成，鋰離子電池的正、負極在充放電過程中嵌入和脫出鋰離子，以此實現鋰離子電池的充電和放電。鋰離子電池的充放電工作過程所進行的化學反應為氧化還原反應，選用石墨作為鋰離子電池的負極材料、選用LiCoO2(鈷酸鋰)作為鋰離子電池的正極材料，其充放電化學反應式為：

正極反應：

負極反應：

總反應：

當鋰離子電池進行充電時，鋰離子從正極材料的層間結構中脫離出來，經過電解液和隔膜，到達負極時得到一個電子還原成鋰原子嵌入負極的層間結構中，在這個反應中負極發生的是還原反應，主要是將外部接通的電能導入鋰離子電池內部轉化為內部化學能并存儲在鋰離子電池內[1]。在放電過程中，負極材料中存儲的鋰原子失去電子變為鋰離子，從負極的層間結構中脫離出來，經過電解液和隔膜，嵌入正極的層間結構中，而電子從負極中分離后經過外電路到達正極，電子通過外電路時所形成的電流為鋰離子電池負載提供電能，在這個反應中負極發生的是氧化反應，將內部儲存的化學能轉化為外部電勢能，完成放電過程。

2 負極材料所需條件

(1)嵌鋰電位應具有低且平穩的特性，這樣可以使電池有比較高的輸出電壓；(2)在鋰離子電池工作時，負極材料能使大量的鋰離子同一時間進行脫出與嵌入，且比容量具有比較高的水平；(3)在鋰離子電池運行過程中具有較高的安全度，擁有比較長的運行壽命；(4)具有高水平的電導率，這樣可以使鋰離子電池在工作中有比較穩定的輸入輸出效率；(5)具備綠色環保的優點，以此保證鋰離子電池在達到使用壽命后，在收集處理的過程中對環境影響降到最低水平；(6)材料獲得難度較小，有較大的資源儲備，材料價格低廉等[5]。

3 生物炭材料分析

(1)稻殼最佳熱解溫度為700℃，因為稻殼在700℃熱解下含碳量最高，材料層間距較小，有序化程度比較高，有利于離子的吸收與脫離和存儲更多離子。將稻殼放入3mol/L HCL煮沸1h，然后繼續用2mol/L NaOH溶液繼續煮沸2h，稻殼在700℃熱解下制備而成的鋰離子電池進行首次充電實驗，其容量為678mAh/g，首次放電測試，其容量為239mAh/g，反復循環10次測試，其容量保持率可以達到86.2%[2，6]。

(2)菠蘿皮最佳熱解溫度為700℃，菠蘿皮在700℃溫度下碳化，具有較低的石墨化程度，很高的混亂程度，有助于鋰離子的嵌入與脫出，提升儲能容量，以700℃碳化的菠蘿皮為負極制備的鋰離子電池在50mAh/g電流下充放電測試，其循環容量保持在304.5mAh/g，反復循環10次測試，其容量保持率可以達到85.2%。

(3)茶葉的最佳熱解溫度為450℃，以450℃碳化的茶葉為負極制備的鋰離子電池在50mAh/g電流下進行充放電測試，其容量達到569.1 mAh/g，反復循環10次測試，其容量保持率達到了68.8%[7]。

4 總結

現如今鋰離子電池技術已經跟不上時代發展需求，現有鋰離子電池對環境污染問題也不容忽視，急需對鋰離子電池進行技術革新[8]。而隨著科研人員不斷深入研究，生物炭憑借優異的性能、廉價性、易獲得性、環境友好等眾多優點脫穎而出，雖然生物炭制備鋰離子電池目前還存在種種技術難點有待攻克，但隨著研究的不斷深入，可以預見，在接下來不遠的某個時間節點生物炭作為負極材料制作的鋰離子電池一定會應用在我們的日常生產生活中。