韩通博士, Scientific Reports：利用混合金属催化剂生产生物基锂电池负极材料

第一作者：史子一

通讯作者：韩通*

单位：瑞典皇家理工学院，乌普萨拉大学

随着全球对石墨负极材料的需求不断增长以及对二氧化碳减排的压力增大，利用生物质与金属催化剂制备锂离子电池（LIB）生物基合成石墨（生物石墨）的技术备受瞩目。然而，目前生物石墨在锂离子电池中的电化学性能仍有待提升，需要不断进行优化。本研究旨在使用市场现有的生物炭作为原材料，并利用不同金属催化剂在石墨化过程中的协同效应，开发一种新型合金催化剂以提高生物石墨在锂电池中的性能表现。本文为生物石墨生产工艺中催化剂选择提供了新的思路，有助于加速生物石墨的研究及实际应用。

近日，来自瑞典皇家理工学院的韩通博士在国际期刊Scientific Reports上发表题为“Bio-based anode material production for lithium-ion batteries through catalytic graphitization of biochar: the deployment of hybrid catalysts”的文章。该文章使用市场现有的生物炭作为原材料，并利用不同金属催化剂在石墨化过程中的协同效应，开发了一种新型三合金催化剂并对比其在催化石墨化中的表现。文章通过对石墨样品的综合分析，筛选出一种更高效的石墨化催化剂，并探索利用生物炭作为碳前体生产用于 LIB 的生物石墨的可能性。

相对于常见的单金属和双合金催化剂，由铁、镍和锰制成的三合金催化剂有效地提升了生物石墨的石墨化程度，达到了89.28%。同时该三合金催化剂对石墨微晶的横向生长起到了促进作用，增加了石墨微晶的堆积高度。其高分辨率透射电子显微镜(HRTEM) 显微照片可以观察到典型的洋葱状微观结构，其特点是同心催化剂颗粒被多个重叠的弯曲有序的石墨壳嵌入和包围。该同心颗粒证明，在加热过程中，在石墨化过程中，生物炭基质分解产生的碳原子溶解到液态催化剂颗粒中，并在其表面析出石墨烯薄片。在此过程中，碳物种的成核和生长导致金属颗粒被单层或多层石墨化薄片包裹。

与其他来自单金属和混合催化剂的合成生物石墨样品相比，由三合金催化剂制备的生物石墨的可逆容量最高（293 mAh g^-1），库仑效率为 75.55%。在 100 次循环后仍能保持 279 mAh g^-1 的容量。相关保持率高达 98.73%，反映了该生物石墨作为负极材料的极佳稳定性和循环能力。此外，在整个循环过程中，该生物石墨的库仑效率稳定地保持在 95-100% 之间。良好的电化学性能归功于其更加有序的石墨结构。高度有序的层状结构可促进锂离子迁移和电子转移，增强锂离子嵌入能力，从而提高石墨在锂离子电池中的电化学性能。

本文中的生物石墨的比表面积为 42 至 93 m²/g，这些数值仍远高于商用石墨（5-20 m²/g）。这主要是由于在酸浸出过程中，金属催化剂的溶解可能会由于新孔隙的产生而导致比表面积的增加。已有研究证实，不可逆容量与石墨的 BET 比表面积几乎呈线性关系。本文中较高的BET比表面积使得生物石墨的可逆容量和初始库仑效率较低，无法与商用石墨产品相比。此外，生物石墨中一些未转化的无定形碳导致了电解质的还原分解，从而在稳定电极-电解质界面之前形成了厚厚的 SEI。文中EIS 测试表明石墨和锂金属电极上形成的固体电解质相间层导致电荷转移电阻增大。最终使可逆容量低于商用石墨。因此，建议开展更多研究，降低石墨材料的孔隙率和表面积，同时减少无序碳的占比，使其进一步接近商用石墨产品。

Bio-based anode material production for lithium–ion batteries through catalytic graphitization of biochar: the deployment of hybrid catalysts

韩通 博士简介：瑞典皇家理工大学材料科学工程系（Department of Material Science Engineering, Royal Institute of Technology KTH）瑞典皇家理工学院研究员。2020年于Weihong Yang 研究组获得博士学位。主要从事生物质，塑料，甲烷等热催化转化，制备绿色氢气，绿色合成气，生物基石墨，硬碳以及其他能源环境领域应用的功能碳材料。参与来自瑞典及欧盟项目十余项。与数十家国际知名企业（Kanthal, Haldor Topsoe, Polestar, Hognas）建立良好的联系与合作。在能源、环境领域的国际学术期刊发表论文20余篇，申请4项发明专利，参与技术成果转化2项。