代鏡濤 楊 瑛*

(1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

鋰離子電池從20世紀(jì)60年代開始研究，20世紀(jì)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(chǎn)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(yōu)勢及具有較高的能量密度和循環(huán)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(yè)技術(shù)的推進(jìn)，國家新能源戰(zhàn)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(chǎn)業(yè)鏈也飽含巨大市場[4]。

我國發(fā)展鋰離子電池產(chǎn)業(yè)已有20余年的歷史，目前已完成主要核心原材料的國產(chǎn)化，如正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜等，一些終端產(chǎn)品也基本在國內(nèi)完成了本土化生產(chǎn)。鋰離子電池負(fù)極對于整個電池的性能起到了至關(guān)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(fù)極，雖然經(jīng)常有新型負(fù)極材料被發(fā)現(xiàn)，但是都因為含有各種缺陷而最終無法商業(yè)化應(yīng)用，近些年來人們將目光投向了天然的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，例如：稻殼、咖啡殼、菠蘿皮、茶葉、甘蔗等。將這些天然的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，通過熱解作用制備成生物炭后，經(jīng)過一系列調(diào)配得到鋰離子電池負(fù)極材料。經(jīng)測試，此類生物炭作為負(fù)極材料制備而來的鋰離子電池首次充電容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出以石墨為負(fù)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(fù)極、隔膜、電解液4個部分組成，鋰離子電池的正、負(fù)極在充放電過程中嵌入和脫出鋰離子，以此實現(xiàn)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(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，選用石墨作為鋰離子電池的負(fù)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(xué)反應(yīng)式為：

正極反應(yīng)：

負(fù)極反應(yīng)：

總反應(yīng)：

當(dāng)鋰離子電池進(jìn)行充電時，鋰離子從正極材料的層間結(jié)構(gòu)中脫離出來，經(jīng)過電解液和隔膜，到達(dá)負(fù)極時得到一個電子還原成鋰原子嵌入負(fù)極的層間結(jié)構(gòu)中，在這個反應(yīng)中負(fù)極發(fā)生的是還原反應(yīng)，主要是將外部接通的電能導(dǎo)入鋰離子電池內(nèi)部轉(zhuǎn)化為內(nèi)部化學(xué)能并存儲在鋰離子電池內(nèi)[1]。在放電過程中，負(fù)極材料中存儲的鋰原子失去電子變?yōu)殇囯x子，從負(fù)極的層間結(jié)構(gòu)中脫離出來，經(jīng)過電解液和隔膜，嵌入正極的層間結(jié)構(gòu)中，而電子從負(fù)極中分離后經(jīng)過外電路到達(dá)正極，電子通過外電路時所形成的電流為鋰離子電池負(fù)載提供電能，在這個反應(yīng)中負(fù)極發(fā)生的是氧化反應(yīng)，將內(nèi)部儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為外部電勢能，完成放電過程。

2 負(fù)極材料所需條件

(1)嵌鋰電位應(yīng)具有低且平穩(wěn)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(fù)極材料能使大量的鋰離子同一時間進(jìn)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(dǎo)率，這樣可以使鋰離子電池在工作中有比較穩(wěn)定的輸入輸出效率；(5)具備綠色環(huán)保的優(yōu)點，以此保證鋰離子電池在達(dá)到使用壽命后，在收集處理的過程中對環(huán)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(xù)用2mol/L NaOH溶液繼續(xù)煮沸2h，稻殼在700℃熱解下制備而成的鋰離子電池進(jìn)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(fù)循環(huán)10次測試，其容量保持率可以達(dá)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(fù)極制備的鋰離子電池在50mAh/g電流下充放電測試，其循環(huán)容量保持在304.5mAh/g，反復(fù)循環(huán)10次測試，其容量保持率可以達(dá)到85.2%。

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

4 總結(jié)

現(xiàn)如今鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)跟不上時代發(fā)展需求，現(xiàn)有鋰離子電池對環(huán)境污染問題也不容忽視，急需對鋰離子電池進(jìn)行技術(shù)革新[8]。而隨著科研人員不斷深入研究，生物炭憑借優(yōu)異的性能、廉價性、易獲得性、環(huán)境友好等眾多優(yōu)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(shù)難點有待攻克，但隨著研究的不斷深入，可以預(yù)見，在接下來不遠(yuǎn)的某個時間節(jié)點生物炭作為負(fù)極材料制作的鋰離子電池一定會應(yīng)用在我們的日常生產(chǎn)生活中。