【顶刊综述】楼雄文与陶新永EES合作综述：当生物质遇到锂

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【顶刊综述】楼雄文与陶新永EES合作综述：当生物质遇到锂 - 绿色电池未来可期

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2021-01-13

导读：该综述文章介绍了典型生物质材料的多级天然结构和组成；分析了生物质材料的加工技术，包括其概念，具体应用，优缺点和建议

文章信息

生物质材料用于绿色锂二次电池

第一作者：金成滨，佴建威

通讯作者：楼雄文，陶新永

单位：浙江工业大学，新加坡南洋理工大学

文章信息

随着先进加工工程，纳米技术和材料科学的持续发展，使得生物质这个地球上储量最为丰富且具有独特天然结构和物理/化学/生物特性的绿色材料逐步地被用于新型的储能技术中，如锂二次电池。生物质材料可以用于制备各种形式的材料用于“绿色电池”体系，从无机的多维度碳材料到各种可再生的有机生物分子/聚合物，这些材料可以被加工成电池的任何一个组成部件。

越来越多的研究者们意识到了生物质材料对于发展先进绿色锂二次电池的积极意义，然而生物质材料如何实现真正的绿色加工和制备，如何拓展生物质材料在锂二次电池的“杀手锏”应用，如何实现生物质基电池材料的规模化生成和利用，如何研究生物质材料在电池中的微观作用机理和重要性，都是不可忽视的重要课题。

文章简介

近日，新加坡南洋理工大学楼雄文教授与浙江工业大学陶新永教授合作，就生物质材料在锂二次电池中的应用于国际知名期刊Energy & Environmental Science发表题为“Biomass-based materials for green lithium secondary batteries”的综述文章。

该综述文章介绍了典型生物质材料的多级天然结构和组成；分析了生物质材料的加工技术，包括其概念，具体应用，优缺点和建议；详细讨论了生物质材料作为骨架，包覆层，活性物质（碳负极，硅负极，有机电极，空气电池碳正极），保护层，添加剂（导电剂，粘结剂，电解液添加剂），聚合物电解质的应用原理和优势

重点对生物质材料的多级，多层次，新型利用，加工技术的优化革新，废旧电池的回收再利用，生物质材料微观作用机制的先进表征，以及生物质材料的绿色大规模制备和实际应用等方面进行了深入的展望。

图1. 各种典型的生物质材料在锂二次电池中的应用。

本文要点

要点一：生物质材料和加工技术的介绍

地球生物圈的生物质（植物，细菌，真菌，动物等）碳总量大约为5500亿吨碳（Gt C），年度增长量超过1000亿吨碳（Gt C），是重要的天然材料，广泛用于生产和生活中。由于生物质材料往往具有丰富的三维多级结构和特殊的物理/化学/生物性质，使得它们存在被用于锂二次电池的巨大潜力。目前，大部分的研究成果集中在利用生物质材料制备各种形貌和结构的碳基材料，用作电池的负极和集流体。

实际上，通过不同的加工处理技术，生物质有望被加工成各种电池组件产品。可以通过化学/物理溶解和再生处理，解构天然生物材料的原生多级结构进行人工重组，如从生物质中提取不同直径的各种纤维制品（纤维素，蛋白质，甲壳素等）；可以通过热解/水热碳化和活化处理等对生物质的尺寸，结构，成分和形貌进行优化和调控；可以通过生物提取技术从生物质中获取高纯度的生物分子/聚合物材料，并通过有机合成和加工工艺制备各种生物质基的产品。

要点二：生物质材料在锂二次电池中的应用

基于先进的生物质加工和制备技术，可以从生物质材料中得到不同结构，形貌和功能的各种电池部件产品。通过碳化生物质可以得到具有不同三维结构，表面特性和化学组成的碳基材料，作为金属/金属复合物/硅负极或者是硫/空气正极的骨架或者是导电剂；也可以直接碳化富含特定元素的生物质制备高性能的碳基/硅基负极；通过提取生物质中的有机分子/聚合物，得到高性能的有机电极材料（如植酸），天然粘结剂（如树胶），电解液添加剂（如丝蛋白），凝胶电解质基底（如细菌纤维素），抑或是聚合物电解质（如淀粉）。

随着加工工艺的持续发展，以及对于生物质材料的深入理解，生物质可以拓展出更多的潜在应用：以具备特殊结构的生物质为生物模板制备天然结构的电极（如木头模板制备自支撑钴酸锂正极）；利用生物质的特殊生物物理和生物化学特性设计和加工高性能的电池材料（如借助生物分解制备高比表面积碳）。

要点三：未来发展趋势

近年来，越来越多的研究者将视线聚焦在生物质材料上，已有大量研究工作报道了将生物质材料用于储能领域，然而该领域仍面临如下的挑战：

（1）对于生物质材料的多级，高效，多样化利用，尤其是生物物理/化学/生物特性的利用较为局限；

（2）对生物质加工的副产品（三废）的回收和转化利用研究较少；

（3）鲜有从实验室级别基础研究过渡到大规模的实际应用研究；

（4）尚未实现生物质材料真正的绿色加工和应用，及绿色电池的成功构筑。

实现生物质材料在锂二次电池中的实际应用和生物质基电池化学产业链的碳中和仍任重而道远。

文章链接

Biomass-based materials for green lithium secondary batteries

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/ee/d0ee02848g

通讯作者介绍

楼雄文教授

2002于新加坡国立大学获得学士学位，2004年获得新加坡国立大学硕士学位，2008年获得美国康奈尔大学博士学位，2008年入职新加坡南洋理工大学化学与生物工程系，现为Cheng Tsang Man能源领域讲席教授，主要研究兴趣为设计合成纳米结构（如MOFs，微纳中空材料等）及其在能源方面的应用，探索新型纳米结构材料在能源存储和光电催化中的应用。以通讯或者第一作者身份在Science，Sci. Adv.，Nat. Energy，Nat. Commun., Energy & Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.，ACS Nano，Nano Letters，Chem，Joule等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文近340余篇，被引用92,240 余次，H因子180。2014-2020年连续7年被Thomson Reuters/Clarivate Analytics评为高被引研究员，高被引论文逾170篇。现为Science Advances责任编辑，Journal of Materials Chemistry A副主编，Small Methods, Nano Letters 等杂志编委。楼雄文教授课题组目前已培养了13位国家青年千人，2位国家优青。

陶新永教授

2007年获得浙江大学博士学位（导师：张孝彬教授），2007-2008年在美国南卡罗莱纳大学机械工程系从事博士后研究（导师：李晓东教授），2014-2015年赴美国斯坦福大学进行访问交流（合作导师：崔屹教授）。2008年入职浙江工业大学以来，一直从事绿色碳基储能材料(二次电池材料)相关研究。现任浙江工业大学材料学院副院长。获国家“优青”（2017年）、教育部“新世纪优秀人才”（2012年）、浙江省“钱江学者”特聘教授（2009年）等人才项目。以通讯或者第一作者身份在Nat. Commun.，Sci. Adv.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Nano Lett.，Nano Energy等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文近300余篇，被引用11,000 余次，H因子56。

第一作者介绍

金成滨博士

2014年于浙江工业大学获得学士学位（导师：陶新永教授），2020年博士毕业于浙江工业大学（导师：陶新永教授），现加入清华大学张强教授课题组从事博士后研究。主要从事绿色生物材料，碳基材料和锂金属电池相关的研究。

佴建威教授

2014年获得北京航空航天大学博士学位（合作导师：郭林教授），2014年于北京航空航天大学从事博士后研究（合作导师：郭林教授），2014-2016年在美国芝加哥大学从事博士后研究（合作导师：Dmitri Talapin教授），2016-2018年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究（合作导师：楼雄文教授）。2018年入职浙江工业大学，主要从事研究方向为：无机微纳米材料的可控合成与精准组装；能源相关离子/分子的高效转化等。以通讯或者第一作者身份在Sci. Adv.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，J. Am. Chem. Soc.，Chem等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文45余篇，被引用2,734余次，H因子23。