张强EcoMat:锂电池中生物质衍生材料的最新进展

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成果简介

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生物质材料因其可持续性、环境友好,更重要的是结构/组成的多样性、丰富的官能团和许多其他独特的物理化学性质等优势而在高比能可充电电池中引起了极大的兴趣。鉴于此,清华大学张强教授团队在EcoMat发表了题为“Recent progress on biomass-derived ecomaterials toward advanced rechargeable lithium batteries”的综述性文章,概述和展望了生物质衍生的生态材料对电池各组件的贡献,包括粘结剂、隔膜、聚合物电解质、电极宿主和功能夹层等。此外,基于生物基材料的多功能性,强调了设计具有所需特性的电池组件的方法。这一观点为先进锂电池中生物质基材料的合理设计以及先进储能器件的可持续发展提供了新的灵感。


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FIGURE 1 A and B, Chemical structures of natural guar gum (GG) and xanthan gum (XG). C and D, Schematic of the intermolecular interaction between GG and XG. E and F, Mechanical property and cycling stability of the sulfur cathode with GG-XG binder.

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FIGURE 2 A, Schematic diagram of synthesis process for starch hosted electrolyte films. B, Proposed structure of the starch hosted electrolyte films. The schematic mechanism of the Li dendrite suppressing by plastic composite gel polymer electrolyte. C, Well-designed three-dimensional ion transportation for increased conductivity of Li ion. D, Stable contact interface for physical blocking Li dendrites.

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FIGURE 3 A and B, A schematic illustration of regulating the Li ion flux and inhibiting the Li dendrite growth by natural agarose biopolymer film. Illustrations of Li-dendrite growth behaviors (C) without and (D) with the protection of cellulose fiber paper membranes.

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FIGURE 4 Structure-oriented design of bio-based hosts. A, Schematic illustration of the PRC fabrication. B, The SEM images of PRC. C, Electrochemical cycling performance comparison of different electrodes at 0.2 C. D, Schematic diagrams of 3D-HCF for stable Li deposition behavior. The SEM images of (E) cotton sources (F) carbonized 3D-HCF and (G) 3D-HCFs after plating at 4 mAh cm−2.

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FIGURE 5 Structure-oriented design of bio-based hosts. A, Schematic diagram of the Li-O2 batteries with the CA-wood/Ru cathode. B, The cross-section SEM image of CA-wood after carbonization.

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FIGURE 6 Affinity-oriented design of bio-based hosts. A, Schematic illustration of sulfur/porous N-doped carbon derived from hair. B, The synthesis process and (C) cyclic performance of sulfur-doped carbon from red algae. D, Schematic diagrams of ZnO@HPC for uniform Li deposition. E, TEM image of ZnO@HPC material. F, SEM image of ZnO@HPC scaffold after 80 cycles at 1 mA cm−2.

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FIGURE 7 A, Schematics of the leaf structure and the CL polysulfide diffusion interlayers. SEM displayed the pore distribution gradient in CL interlayer of (B) surface of electrolyte reservoir, (C) cross-section of the CL, and (D) surface of polysulfide blocking-film. E, Schematic illustration of the Li–S battery with BCF membrane as interlayer; (F) SEM image and (G) conductive properties of BCF interlayers.

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FIGURE 8 The further research directions on biomass materials for boosting advanced Li-based batteries


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总结与展望

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可持续生物质材料具有多功能的微观结构、多样化的成分、丰富的官能团、水溶性以及环境友好性,使得多功能生物聚合物和碳质衍生物适用于高能锂电池。从这个角度来看,考虑到生物质材料的特殊性质和功能,作者强调了生物衍生物在解决锂电池体系中的关键问题以及促进能源器件的可持续性方面的设计原则:(a) 适应体积变化;(b) 抑制枝晶生长;(c) 改善电荷输运;(d) 捕获电化学中间体。

基于所取得的突破性进展,本文提出了提高先进锂电池性能的生物质材料的未来研究方向。


1. 对生物聚合物的基本理解:由于生物质前驱体成分的复杂性,对生物材料中如大分子结构、分子量、聚合度和组分的理解是实现可再生材料的关键。


2. 生物质原料的一致性:生物质是不同分子量的类似物的混合物,因此很难保证每个实验中使用的生物质材料的一致性。迄今为止,由于难以获得纯物质,因此只能对原材料的组成、结构和性质进行定性分析。因此,关键成分的测定和定量分析就显得尤为重要。此外,还需要考虑生物质原料的理化稳定性及其检测方法。


3. 功能材料的合理设计:不同的电池体系需要不同的功能结构材料。合理设计合适的功能结构材料是提高先进锂基电池体系电化学性能的关键。然而,目前的科学研究主要依靠试错的经验策略,研究不充分且耗时较多。更重要的是,由于生物材料的物种多样性,可用生物基前体的筛选标准仍难以准确界定,成为制约该领域发展的问题之一。因此,应考虑人工智能辅助实现结构导向、形貌导向、表面/界面化学导向和功能导向的生物质前体及其衍生功能材料的有效筛选。


4. 制备过程:将生物质资源提炼或转化为可用的生物基材料,其效率和产量较低。通常,具有高导电性的生物衍生碳质材料是在过高的碳化温度(通常>800 °C)下获得的,既耗能又不环保。更重要的是,通常的制备方法得到的材料孔径分布不可控。因此,开发简便、经济、可控的制备方法势在必行。结合热处理工艺或模板法,开发具有梯度加热功能的先进热管理系统以及调节适当的热处理气氛(如还原气体或惰性气体),是制备生物质衍生生态材料的有前途的方法。


5. 先进的表征技术:目前缺乏强大有效的表征技术来追踪生物基材料在电池工作状态下的演化行为,导致对生物聚合物或生物衍生材料在电池工作中的作用缺乏理解。此外,生物质材料的多样化结构和复杂特性进一步加剧了在电池运行状态下检测其活性状态的困难程度。需要通过 X 射线吸收、显微镜和光谱等先进的原位表征手段来探究生物基功能材料的工作状态和演化行为,这将为高能量密度锂基电池中生物质材料的定向设计提供新的见解。


6. 能源器件的绿色和可持续性:绿色能源和器件是社会发展的最终目标。考虑电池在整个循环寿命期间包括所有电池组件的绿色程度,对于提高储能过程的绿色性具有重要意义。此外,能源环保材料的人工智能设计也是能源和器件资源化的有效途径。


总之,将生物质源植入电池体系不仅有助于推动绿色能源的发展,而且有助于解决锂基电池的关键问题,从而提供高能量密度和高安全性的电池体系。未来的研究工作应侧重于高效的生物基前体筛选、面向多功能的生物质材料,以及深入的结构演化和基本机制分析。此外,生物质材料从单一电池组件到整体电池组件的发展策略在促进能源器件的可持续性方面受到了极大的关注。鉴于此,我们希望这一观点能够为基于生物质资源的电池材料的定向战略提供指导,也为高能量密度锂基电池和其他先进能源存储系统中功能性生物质材料的合理设计提供新的启示。


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文章信息

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Jia Liu, Hong Yuan, Xinyong Tao, Yeru Liang, Seung Jae Yang, Jia-Qi Huang, Tong-Qi Yuan,* Magdalena Titirici, Qiang Zhang,* Recent progress on biomass-derived ecomaterials toward advanced rechargeable lithium batteries, EcoMat. 2020;2:e12019.

原文链接:https://doi.org/10.1002/eom2.12019


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参考文献: