據外媒報道，中國石河子大學(Shihezi University)的研究人員探討棉花秸稈顆粒的大小對生物炭結構和鋰離子電池負極性能的影響。
(圖片來源：石河子大學)
鋰離子電池具有能量密度高、重量輕、使用壽命長、無污染等優點，在儲能領域廣受歡迎。但是，這種電池中常用的石墨負極容量有限，倍率性能較差。為了提高電池性能，研究人員致力于開發下一代碳負極材料。
此項研究
在這項研究中，研究人員探討將棉稈生物炭(cotton stalk
biochar，CSC)作為鋰離子電池負極材料，并研究顆粒大小對衍生碳材料的結構和電化學性能的影響。
該團隊利用一步碳化法來制備樣品。以較大的棉稈顆粒為原料來制備生物炭，可以保留棉稈的管狀結構，并有助于形成孔隙結構。
研究人員以農業棉稈廢料為前體，探討粒徑對碳化產物的結構和電化學屬性的影響。通過簡單的碳化過程來制造高性能的棉稈多孔炭。
觀察結果
隨著掃描速度加快，電容分布逐漸擴大。在掃描速度為1 mVs-1時，電容分布達到47.57%。當電流密度為2
Ag-1時，CSC負極的可逆容量達到57.62-130.33 mAhg-1，而石墨的可逆容量僅為30.8
mAhg-1。CSC-1、2、3、4和5的初始比容量分別為786.5、872.1、857.8、749.85和646.1
mAhg-1，并在第一次放電/充電操作過程中迅速下降。在高分辨率O1s中，C=O、C-OH、C-O-C和OH分別在530.9 eV、531.8 eV、532.6
eV和533.6 eV處出現四個峰值。
當棉稈粒徑小于200 μm時，熱解炭的結構特征出現明顯變化，尤其是孔徑小于4
nm。碳化棉稈產物的粒徑范圍為100-200和450-2000μm，最大層間距為0.388 nm，孔容為0.285 cm3
g-1。同時，由較大棉稈顆粒制成的熱解炭，具有更好的管狀結構。
在0.1 Ag-1下循環100次后，粒徑為450-2000 μm的棉稈生物炭的Li+擴散系數最大，為1.47x10-11 cm2
s-1，電化學性能最好，同時，比容量較大，達到271.7 mAhg-1。
就生物炭的結構性質和化學組成而言，200
μm的棉稈顆粒是一個重要的轉化點。將CSC用作鋰離子電池負極，直徑為450-2000μm的棉稈生物炭，表現出最好的電化學性能，在0.1
Ag-1循環100次后，比容量達到271.7 mAhg-1。同時，在2 Ag-1的高電流密度下，比容量為115 mAhg-1。
結論
綜上所述，本項研究闡述了CSC具有管狀多孔結構、較大的層間距和較高的雜原子摻雜量，可用于存儲和傳輸鋰離子。在熱解過程中，較大的棉稈顆粒有助于形成孔隙結構和保留雜原子。通過改變棉稈顆粒大小，可以有效地控制生物炭的結構，這種未來碳材料制備方法能耗低且環保。生物質前體的顆粒大小分布，對生物炭的電化學性能和結構具有較大影響。
研究人員認為，篩選前體顆粒大小是一種很有前途的策略，可以提高電化學性能，也為開發其他儲能設備提供了思路。因為這種前體的數量豐富，而且相關制造工藝簡單、成本低。