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天科大司傳領/王冠華/徐婷 AEnM 封面文章：木質纖維素基硅碳材料用于可充電電池的功能化設計
2024-12-16  來源：高分子科技
  木質纖維素基硅/碳（Si/C）復合材料結合了硅和碳組分的高比容量與良好循環(huán)穩(wěn)定性，作為可充電電池的負極材料，展現(xiàn)出巨大應用潛力。此外，這類材料還因其原料可持續(xù)性、柔性結構可控性以及多種物理化學功能的協(xié)同作用而受到廣泛關注。天津科技大學教授司傳領、王冠華和徐婷在該工作中對木質纖維素基Si/C復合材料用于可充電電池的功能化設計做了系統(tǒng)研究：首先對基于木質纖維素的內部硅源和外部硅源進行了梳理；接著重點闡釋了納米化、多孔化、鎂熱還原等多種硅材料功能化策略，以及各種先進碳材料雜原子摻雜調控手段；此外，該工作還詳細討論了木質纖維素衍生的硅/碳基材料在可充電電池中的最新應用；最后，對木質纖維素衍生的Si/C復合材料在儲能領域面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展前景做了展望，為木質纖維素衍生材料在能源轉換領域應用提供了新視角。


  該成果以題為“Design and Functionalization of Lignocellulose-Derived Silicon-Carbon Composites for Rechargeable Batteries”發(fā)表在《Advanced Energy Materials》（中科院一區(qū)，影響因子24.4）2024年第36卷14期，并被遴選為期刊封面文章（圖1）。天津科技大學2023級博士研究生李威為該論文第一作者，司傳領、王冠華以及徐婷為通訊作者，天津科技大學為唯一單位。


圖1.論文被遴選為《Advanced Energy Materials》封面文章


1. 研究背景


  Si/C復合材料能夠為硅活性材料提供連續(xù)的導電網(wǎng)絡，促進電荷的有效轉移，進而提升材料的電化學性能。此外，碳材料在充放電過程中表現(xiàn)出穩(wěn)定的物理結構和優(yōu)良的力學性能，能夠有效緩解硅與鋰合金化/去合金化過程中產生的機械應力，從而提升電極材料在循環(huán)過程中的穩(wěn)定性。在可持續(xù)發(fā)展的背景下，研究和開發(fā)環(huán)保、低成本的電極材料已成為推動可充電電池技術進步的基本要求。這一趨勢使得木質纖維素衍生的Si/C基復合材料受到廣泛關注，成為可充電電池領域的重要研究方向。圖2展示了不同的木質纖維素衍生的Si/C復合材料在可充電電池領域功能化應用。


圖2.木質纖維素衍生Si/C復合材料用于可充電電池


2. 硅源的選擇


  從木質纖維素中制備用于電極材料的硅具有簡單且經濟的優(yōu)勢。盡管木質纖維素中的硅含量相對較低，但全球每年產生的大量木質纖維素原料為其提供了豐富的來源。因此，利用木質纖維素作為硅源制備Si/C負極材料，不僅具備廣泛的可持續(xù)原料利用潛力，還符合當前低碳和環(huán)保的發(fā)展理念。此外，這類材料展現(xiàn)出優(yōu)良的機械性能和卓越的熱穩(wěn)定性，能夠在高溫條件下保持結構的穩(wěn)定性。同時，木質纖維素衍生的Si/C材料具有良好的導電性，使其在可充電電池領域展現(xiàn)出優(yōu)異的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。


圖3. 木質纖維素基硅源用于制備Si/C 復合材料


  除了上述木質纖維素基硅源外，礦物硅源、工業(yè)硅廢料以及氣體硅源也各具優(yōu)勢。礦物硅源通常具有高純度和穩(wěn)定性，能夠提供優(yōu)良的電化學性能，適用于高要求應用場景；氣體硅源則因其生產過程的靈活性和可控性，能夠實現(xiàn)更高的硅轉化效率，適合大規(guī)模生產；而工業(yè)硅廢料的利用不僅能夠降低生產成本，還能有效減少資源浪費，符合可持續(xù)發(fā)展理念。這些硅源的多樣性使得它們在不同應用領域中具有廣泛的適應性和經濟性，推動了Si/C材料的開發(fā)與應用。


圖4.非木質纖維素衍生硅源用于制備Si/C復合材料


3. Si/C復合材料的結構設計


  碳材料在充放電過程中表現(xiàn)出結構穩(wěn)定性，能夠有效地傳輸電荷，提高電極的充放電性能，使其成為與硅制備復合材料的理想基質。在Si/C復合材料中，碳材料主要發(fā)揮導電網(wǎng)絡的作用，增強復合材料的導電性，并在充放電過程中提供良好的接觸介質。此外，碳材料在離子傳輸過程中也能有效增強活性材料內部及界面處的離子傳輸能力。因此，Si/C的結構設計代表了一種針對性的有效策略，以適應負極中硅在充放電循環(huán)期間的體積變化。根據(jù)微觀結構的不同，Si/C復合材料大致可分為嵌入式結構、核殼結構以及蛋黃殼等結構類型。


4. Si/C復合材料的功能化調控


  Si/C負極材料的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如初始放電效率低、電導率不足以及循環(huán)穩(wěn)定性相對較差等問題。為提高Si/C復合材料的電化學性能，研究人員采用了多種功能化策略。首先，通過不同的納米結構設計以減輕硅的體積變化，防止由循環(huán)引起的固體電解質界面層(SEI)的反復斷裂和重整不斷消耗電解質。其次，設計多孔硅結構旨在加速離子傳輸效率，提高電導率，并有效緩解材料的體積變化和內應力釋放。而鎂熱還原法常用于納米硅的制備，該方法能夠直接將硅從氧化物中還原出來，所制備的納米硅具有發(fā)達的孔隙結構，且工藝流程簡單，易于制備。此外，雜原子摻雜的碳材料在制備Si/C材料時能夠顯著提升材料的導電性、化學穩(wěn)定性和電化學性能，從而增強可充電電池的容量和循環(huán)性能。這些工藝不僅提升了Si/C材料的導電性，還增強了其結構穩(wěn)定性，為解決Si基材料在充放電循環(huán)中面臨的體積膨脹和導電性差等問題提供了有效的解決方案。


圖5.Si/C復合材料的功能化調控策略


5. 木質纖維素衍生 Si/C 復合材料應用于可充電電池


  在多種儲能技術中，電化學儲能裝置展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿，特別是可充電電池，已廣泛應用于各類場景，成為最具吸引力的能量存儲解決方案之一。電極材料的理化特性對可充電電池的性能具有重要影響。鑒于可充電電池已成為當前時代發(fā)展的主流趨勢，制備高容量、高性價比和環(huán)境可持續(xù)的電極材料對于推動這些儲能系統(tǒng)的大規(guī)模商業(yè)化至關重要。木質纖維素衍生的Si/C復合材料由于其高能量密度、功率密度和長循環(huán)壽命，在可充電電池領域引起了廣泛關注。


圖6.木質纖維素衍生Si/C復合材料應用于鋰離子電池


圖7.木質纖維素衍生Si/C復合材料應用于鈉離子電池中


圖8. 木質纖維基Si/C復合材料在可充電電池應用中可能面臨的挑戰(zhàn)及其解決方案


  該工作對木質纖維素衍生Si/C復合材料在可充電電池領域的研究和最新應用做了系統(tǒng)闡釋。木質纖維素衍生的硅/碳復合材料因其良好的雜原子摻雜特性、高導電性、高孔隙率以及低成本等優(yōu)點，受到了廣泛關注。通過合理選擇硅源或采用不同的功能化制備方法，可以顯著改變木質纖維素衍生Si/C復合材料的微觀結構，從而產生不同的電化學活性和選擇性。這種可調性滿足了先進電池材料的定制化需求，預計將在未來一段時間內成為電池負極材料重要的發(fā)展趨勢之一。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202403593


作者簡介

李威，天津科技大學2023級博士研究生。主要研究方向是木質素衍生功能材料在儲能以及光熱領域應用。曾獲中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步一等獎、天津科技大學研究生“十佳學術之星” 、兩次獲研究生國家獎學金等榮譽。以第一作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Carbon Energy、Nano Energy等期刊發(fā)表論文10余篇。申請/獲授權發(fā)明專利4項（其中授權國際專利2項）。



王冠華，天津科技大學特聘教授，博士生導師，主要研究方向為綠色生物質精煉過程木質素化學及高值轉化利用。入選天津市青年人才托舉工程，天津市創(chuàng)新人才推進計劃青年科技優(yōu)秀人才，天津市青年科技人才科技成果孵化轉化PLUS培育計劃，2024年度全球前2%頂尖科學家榜單，獲天津市優(yōu)秀青年科技工作者及全國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)優(yōu)秀博士等榮譽稱號。先后獲批國家自然科學基金面上/青年基金，天津市自然科學基金等國家及省部級項目；以第一或通訊作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials和Advances in Colloid and Interface Science等高水平期刊發(fā)表論文60余篇，其中，ESI熱點/高被引論文8篇，封面論文5篇；授權發(fā)明專利12項，主持制訂團體標準1項。研究成果獲國家林草局梁希林業(yè)科技進步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步獎、中國輕工聯(lián)合會科技進步獎、中國產學研合作促進會產學研合作創(chuàng)新成果獎等。



徐婷，天津科技大學特聘教授、國家級重大人才計劃青年人才、中國科協(xié)青年人才托舉工程（中科協(xié)資助）入選者，中國未來女科學家計劃候選人。任SCI一區(qū)期刊《eScience》《Innovation》、中文核心期刊《中國造紙》《中國造紙學報》《林業(yè)工程學報》等（青年）編委。研究方向包括紙基先進功能材料、纖維素納米材料的可持續(xù)制備及先進納米生物質復合材料等。先后主持國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃子課題、中央引導地方科技發(fā)展項目、企業(yè)橫向項目等10余項。以第一/通訊作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等學術期刊發(fā)表論文40余篇（其中ESI高被引論文21篇、封面論文15篇）。申請/獲授權發(fā)明專利11項，制定行業(yè)標準1項。入選美國斯坦福大學“全球前2%頂尖科學家”，先后獲國家林草局梁希林業(yè)科技進步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步獎、美國工程化科學協(xié)會青年研究員獎等。



司傳領，天津科技大學教授、博導、全國青聯(lián)委員、科技處副處長。入選國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃、國家林草局科技創(chuàng)新領軍人才、天津市有突出貢獻專家、天津市特聘教授、天津市科技創(chuàng)新領軍人才、天津市131創(chuàng)新型人才工程第一層次等人才計劃。入選科睿唯安“全球高被引科學家”榜單、美國斯坦福大學“全球前2%頂尖科學家”終身科學影響力和年度科學影響力榜單、Bentham Ambassador等。主要從事制漿造紙及生物質資源高值化利用方面的教學研究工作，研究成果獲教育部霍英東教育基金會高等院校青年教師獎、國家林草局梁希林業(yè)科技進步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步獎、中國輕工聯(lián)合會科技進步獎、中國產學研合作促進會產學研合作創(chuàng)新成果獎等。

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（責任編輯：xu）
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