生物炭材料制备锂离子电池负极的研究

代镜涛 杨 瑛*

(1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300)

锂离子电池从20世纪60年代开始研究，20世纪90年代初期日本的索尼公司成功研制出可运用于实际生产生活中的锂离子电池，自此以后，锂离子电池凭借出色的充放电优势及具有较高的能量密度和循环寿命，成功取代锌锰干电池、铅酸电池、镍镉电池等，在世界上快速普及开来。随着工业技术的推进，国家新能源战略的推行，未来对于锂离子电池及其材料的需求无可估量、其配套的上下游产业链也饱含巨大市场[4]。

我国发展锂离子电池产业已有20余年的历史，目前已完成主要核心原材料的国产化，如正极材料、负极材料、电解液、隔膜等，一些终端产品也基本在国内完成了本土化生产。锂离子电池负极对于整个电池的性能起到了至关重要的作用，因此，广大科研人员选用大量材料制备锂离子电池负极，虽然经常有新型负极材料被发现，但是都因为含有各种缺陷而最终无法商业化应用，近些年来人们将目光投向了天然的农业副产品，例如：稻壳、咖啡壳、菠萝皮、茶叶、甘蔗等。将这些天然的农业副产品，通过热解作用制备成生物炭后，经过一系列调配得到锂离子电池负极材料。经测试，此类生物炭作为负极材料制备而来的锂离子电池首次充电容量远远超出以石墨为负极材料制备的锂离子电池的充电容量[1]。

1 锂离子电池的工作原理

如今的锂离子电池主要是由正极、负极、隔膜、电解液4个部分组成，锂离子电池的正、负极在充放电过程中嵌入和脱出锂离子，以此实现锂离子电池的充电和放电。锂离子电池的充放电工作过程所进行的化学反应为氧化还原反应，选用石墨作为锂离子电池的负极材料、选用LiCoO2(钴酸锂)作为锂离子电池的正极材料，其充放电化学反应式为：

正极反应：

负极反应：

总反应：

当锂离子电池进行充电时，锂离子从正极材料的层间结构中脱离出来，经过电解液和隔膜，到达负极时得到一个电子还原成锂原子嵌入负极的层间结构中，在这个反应中负极发生的是还原反应，主要是将外部接通的电能导入锂离子电池内部转化为内部化学能并存储在锂离子电池内[1]。在放电过程中，负极材料中存储的锂原子失去电子变为锂离子，从负极的层间结构中脱离出来，经过电解液和隔膜，嵌入正极的层间结构中，而电子从负极中分离后经过外电路到达正极，电子通过外电路时所形成的电流为锂离子电池负载提供电能，在这个反应中负极发生的是氧化反应，将内部储存的化学能转化为外部电势能，完成放电过程。

2 负极材料所需条件

(1)嵌锂电位应具有低且平稳的特性，这样可以使电池有比较高的输出电压；(2)在锂离子电池工作时，负极材料能使大量的锂离子同一时间进行脱出与嵌入，且比容量具有比较高的水平；(3)在锂离子电池运行过程中具有较高的安全度，拥有比较长的运行寿命；(4)具有高水平的电导率，这样可以使锂离子电池在工作中有比较稳定的输入输出效率；(5)具备绿色环保的优点，以此保证锂离子电池在达到使用寿命后，在收集处理的过程中对环境影响降到最低水平；(6)材料获得难度较小，有较大的资源储备，材料价格低廉等[5]。

3 生物炭材料分析

(1)稻壳最佳热解温度为700℃，因为稻壳在700℃热解下含碳量最高，材料层间距较小，有序化程度比较高，有利于离子的吸收与脱离和存储更多离子。将稻壳放入3mol/L HCL煮沸1h，然后继续用2mol/L NaOH溶液继续煮沸2h，稻壳在700℃热解下制备而成的锂离子电池进行首次充电实验，其容量为678mAh/g，首次放电测试，其容量为239mAh/g，反复循环10次测试，其容量保持率可以达到86.2%[2，6]。

(2)菠萝皮最佳热解温度为700℃，菠萝皮在700℃温度下碳化，具有较低的石墨化程度，很高的混乱程度，有助于锂离子的嵌入与脱出，提升储能容量，以700℃碳化的菠萝皮为负极制备的锂离子电池在50mAh/g电流下充放电测试，其循环容量保持在304.5mAh/g，反复循环10次测试，其容量保持率可以达到85.2%。

(3)茶叶的最佳热解温度为450℃，以450℃碳化的茶叶为负极制备的锂离子电池在50mAh/g电流下进行充放电测试，其容量达到569.1 mAh/g，反复循环10次测试，其容量保持率达到了68.8%[7]。

4 总结

现如今锂离子电池技术已经跟不上时代发展需求，现有锂离子电池对环境污染问题也不容忽视，急需对锂离子电池进行技术革新[8]。而随着科研人员不断深入研究，生物炭凭借优异的性能、廉价性、易获得性、环境友好等众多优点脱颖而出，虽然生物炭制备锂离子电池目前还存在种种技术难点有待攻克，但随着研究的不断深入，可以预见，在接下来不远的某个时间节点生物炭作为负极材料制作的锂离子电池一定会应用在我们的日常生产生活中。