第一作者：天津科技大学博士生李威
通讯作者：司传领，王冠华，徐婷
通讯单位：天津科技大学轻工科学与工程学院、生物源纤维制造技术国家重点实验室、天津市制浆造纸重点实验室
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木质纤维素基硅/碳（Si/C）复合材料结合了硅和碳组分的高比容量与良好循环稳定性，作为可充电电池的负极材料，展现出巨大应用潜力。此外，这类材料还因其原料可持续性、柔性结构可控性以及多种物理化学功能的协同作用而受到广泛关注。天津科技大学教授司传领、王冠华和徐婷在该工作中对木质纤维素基Si/C复合材料用于可充电电池的功能化设计做了系统研究：首先对基于木质纤维素的内部硅源和外部硅源进行了梳理；接着重点阐释了纳米化、多孔化、镁热还原等多种硅材料功能化策略，以及各种先进碳材料杂原子掺杂调控手段；此外，该工作还详细讨论了木质纤维素衍生的硅/碳基材料在可充电电池中的最新应用；最后，对木质纤维素衍生的Si/C复合材料在储能领域面临的挑战与未来发展前景做了展望，为木质纤维素衍生材料在能源转换领域应用提供了新视角。该成果以题为“Design and Functionalization of Lignocellulose-Derived Silicon-Carbon Composites for Rechargeable Batteries”发表在《Advanced Energy Materials》（中科院一区，影响因子24.4）2024年第36卷14期，并被遴选为期刊封面文章（图1）。天津科技大学2023级博士研究生李威为该论文第一作者，司传领、王冠华以及徐婷为通讯作者，天津科技大学为唯一单位。
图1.论文被遴选为《Advanced Energy Materials》封面文章
1. 研究背景
Si/C复合材料能够为硅活性材料提供连续的导电网络，促进电荷的有效转移，进而提升材料的电化学性能。此外，碳材料在充放电过程中表现出稳定的物理结构和优良的力学性能，能够有效缓解硅与锂合金化/去合金化过程中产生的机械应力，从而提升电极材料在循环过程中的稳定性。在可持续发展的背景下，研究和开发环保、低成本的电极材料已成为推动可充电电池技术进步的基本要求。这一趋势使得木质纤维素衍生的Si/C基复合材料受到广泛关注，成为可充电电池领域的重要研究方向。图2展示了不同的木质纤维素衍生的Si/C复合材料在可充电电池领域功能化应用。
图2.木质纤维素衍生Si/C复合材料用于可充电电池
2. 硅源的选择
从木质纤维素中制备用于电极材料的硅具有简单且经济的优势。尽管木质纤维素中的硅含量相对较低，但全球每年产生的大量木质纤维素原料为其提供了丰富的来源。因此，利用木质纤维素作为硅源制备Si/C负极材料，不仅具备广泛的可持续原料利用潜力，还符合当前低碳和环保的发展理念。此外，这类材料展现出优良的机械性能和卓越的热稳定性，能够在高温条件下保持结构的稳定性。同时，木质纤维素衍生的Si/C材料具有良好的导电性，使其在可充电电池领域展现出优异的能量密度和循环稳定性。
图3. 木质纤维素基硅源用于制备Si/C 复合材料
除了上述木质纤维素基硅源外，矿物硅源、工业硅废料以及气体硅源也各具优势。矿物硅源通常具有高纯度和稳定性，能够提供优良的电化学性能，适用于高要求应用场景；气体硅源则因其生产过程的灵活性和可控性，能够实现更高的硅转化效率，适合大规模生产；而工业硅废料的利用不仅能够降低生产成本，还能有效减少资源浪费，符合可持续发展理念。这些硅源的多样性使得它们在不同应用领域中具有广泛的适应性和经济性，推动了Si/C材料的开发与应用。
图4.非木质纤维素衍生硅源用于制备Si/C复合材料
3. Si/C复合材料的结构设计
碳材料在充放电过程中表现出结构稳定性，能够有效地传输电荷，提高电极的充放电性能，使其成为与硅制备复合材料的理想基质。在Si/C复合材料中，碳材料主要发挥导电网络的作用，增强复合材料的导电性，并在充放电过程中提供良好的接触介质。此外，碳材料在离子传输过程中也能有效增强活性材料内部及界面处的离子传输能力。因此，Si/C的结构设计代表了一种针对性的有效策略，以适应负极中硅在充放电循环期间的体积变化。根据微观结构的不同，Si/C复合材料大致可分为嵌入式结构、核壳结构以及蛋黄壳等结构类型。
4. Si/C复合材料的功能化调控
Si/C负极材料的发展仍面临诸多挑战，如初始放电效率低、电导率不足以及循环稳定性相对较差等问题。为提高Si/C复合材料的电化学性能，研究人员采用了多种功能化策略。首先，通过不同的纳米结构设计以减轻硅的体积变化，防止由循环引起的固体电解质界面层(SEI)的反复断裂和重整不断消耗电解质。其次，设计多孔硅结构旨在加速离子传输效率，提高电导率，并有效缓解材料的体积变化和内应力释放。而镁热还原法常用于纳米硅的制备，该方法能够直接将硅从氧化物中还原出来，所制备的纳米硅具有发达的孔隙结构，且工艺流程简单，易于制备。此外，杂原子掺杂的碳材料在制备Si/C材料时能够显著提升材料的导电性、化学稳定性和电化学性能，从而增强可充电电池的容量和循环性能。这些工艺不仅提升了Si/C材料的导电性，还增强了其结构稳定性，为解决Si基材料在充放电循环中面临的体积膨胀和导电性差等问题提供了有效的解决方案。
图5.Si/C复合材料的功能化调控策略
5. 木质纤维素衍生 Si/C 复合材料应用于可充电电池
在多种储能技术中，电化学储能装置展现出巨大的发展潜力，特别是可充电电池，已广泛应用于各类场景，成为最具吸引力的能量存储解决方案之一。电极材料的理化特性对可充电电池的性能具有重要影响。鉴于可充电电池已成为当前时代发展的主流趋势，制备高容量、高性价比和环境可持续的电极材料对于推动这些储能系统的大规模商业化至关重要。木质纤维素衍生的Si/C复合材料由于其高能量密度、功率密度和长循环寿命，在可充电电池领域引起了广泛关注。
图6.木质纤维素衍生Si/C复合材料应用于锂离子电池
图7.木质纤维素衍生Si/C复合材料应用于钠离子电池中
结论与展望
图8. 木质纤维基Si/C复合材料在可充电电池应用中可能面临的挑战及其解决方案
该工作对木质纤维素衍生Si/C复合材料在可充电电池领域的研究和最新应用做了系统阐释。木质纤维素衍生的硅/碳复合材料因其良好的杂原子掺杂特性、高导电性、高孔隙率以及低成本等优点，受到了广泛关注。通过合理选择硅源或采用不同的功能化制备方法，可以显著改变木质纤维素衍生Si/C复合材料的微观结构，从而产生不同的电化学活性和选择性。这种可调性满足了先进电池材料的定制化需求，预计将在未来一段时间内成为电池负极材料重要的发展趋势之一。
https://doi.org/10.1002/aenm.202403593
作者简介
李威，天津科技大学2023级博士研究生。主要研究方向是木质素衍生功能材料在储能以及光热领域应用。曾获中国商业联合会科技进步一等奖、天津科技大学研究生“十佳学术之星” 、两次获研究生国家奖学金等荣誉。以第一作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials 、Carbon Energy、Nano Energy等期刊发表论文10余篇。申请/获授权发明专利4项（其中授权国际专利2项）。
王冠华，天津科技大学特聘教授，博士生导师，主要研究方向为绿色生物质精炼过程木质素化学及高值转化利用。入选天津市青年人才托举工程，天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才，天津市青年科技人才科技成果孵化转化PLUS培育计划，2024年度全球前2%顶尖科学家榜单，获天津市优秀青年科技工作者及全国创新创业优秀博士等荣誉称号。先后获批国家自然科学基金面上/青年基金，天津市自然科学基金等国家及省部级项目；以第一或通讯作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials和Advances in Colloid and Interface Science等高水平期刊发表论文60余篇，其中，ESI热点/高被引论文8篇，封面论文5篇；授权发明专利12项，主持制订团体标准1项。研究成果获国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。
徐婷，天津科技大学特聘教授、国家级重大人才计划青年人才、中国科协青年人才托举工程（中科协资助）入选者，中国未来女科学家计划候选人。任SCI一区期刊《eScience》《Innovation》、中文核心期刊《中国造纸》《中国造纸学报》《林业工程学报》等（青年）编委。研究方向包括纸基先进功能材料、纤维素纳米材料的可持续制备及先进纳米生物质复合材料等。先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、中央引导地方科技发展项目、企业横向项目等10余项。以第一/通讯作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等学术期刊发表论文40余篇（其中ESI高被引论文21篇、封面论文15篇）。申请/获授权发明专利11项，制定行业标准1项。入选美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”，先后获国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、美国工程化科学协会青年研究员奖等。
司传领，天津科技大学教授、博导、全国青联委员、科技处副处长。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才支持计划、国家林草局科技创新领军人才、天津市有突出贡献专家、天津市特聘教授、天津市科技创新领军人才、天津市131创新型人才工程第一层次等人才计划。入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单、美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”终身科学影响力和年度科学影响力榜单、Bentham Ambassador等。主要从事制浆造纸及生物质资源高值化利用方面的教学研究工作，研究成果获教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。
来源：高分子科学前沿
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