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生物炭因其性质特殊，用途广泛，已成为多学科领域研究的焦点，同时生物炭与能源、农业、环境和可持续发展息息相关，可促进“炭-碳”转化。知耕聚焦生物科技领域的技术商业化，同样希望能够加速推动生物技术创新实现可持续发展理念，特此整理以下内容供各位同行参考，交流。

生物炭应用背景

生物炭是在缺氧条件（即热解）下将生物质进行高温处理，同时生物质中的油和气燃烧掉，从而获得类木炭碳产物。生物炭几乎是纯碳，埋到地下后可以有几百至上千年不会消失，等于把碳封存进了土壤，有助于减缓全球变暖，具有改善农业的价值，可作为水过滤和毒素修复应用中的一种活性炭。由于生物炭的作用强大令其备受全世界的广泛关注。生物炭符合联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）提出的碳封存战略，对环境可持续具有重要意义。

使用的原料和生产的生物炭的质量可以有很大的不同，但通过严格控制热解技术可以创造出具有工程性能和高可靠性的生物炭，并作为一种新型可持续碳平台。这种碳将适用于更复杂的应用，例如取代高需求储能设备（包括锂离子电池和超级电容器）中的石墨和活性炭电极材料。

通常电动汽车电池需要大约50公斤的石墨作为锂离子电池。这种石墨要么通过天然开采，要么由石油焦合成，但是这两种来源都具有不可持续性，也无法满足未来的石墨需求。此外，天然石墨和合成石墨的售价为5000-10,000美元/吨，相较而言生物炭的生产价格要低得多。

生物炭在储能领域的应用

■   电池及超级电容器

许多高校和商业实验室已经研发了使用生物炭作为碳电极材料来源的高性能电池和超级电容器，这种新型器件的性能普遍优于市售的石墨储能器件。然而，就如石墨烯一样，这种高质量的生物炭是否可以在实验室外大规模生产？这需要不仅将生物炭生产技术用于农业用途，还要将其更多地推广到可工程化的碳基质及其他领域的生产。

目前，大多数生物炭生产技术的开发目的包括生物炭作为非优化的副产品生产生物燃料（合成气）以及通过连续工艺大批量生产符合农业标准的生物炭。生物炭具有广泛的工程潜力，需要研发一种可以大规模生产实验室标准生物炭的生产技术，其中材料质量是主要驱动因素，而不是生物炭或合成气的体积。

■   电极材料

电子应用领域的生物炭生产是一个多步骤的过程。对于用于电极材料的生物炭，微孔率、石墨片的形态和杂原子掺杂是其重要指标。该生产过程从选择原料开始，这些原料可以确定生产所需初始碳含量、孔隙率和天然存在的掺杂物，以及在更高产量下生产的可持续性。然后通过批量生产技术可以生产一致、质量均匀的生物炭，该技术可以使转化过程中为原料提供更均匀的温度分布，并在不显着依赖原料粒度或初始水分水平的情况下完成碳化过程。目前，泰国炭素有限公司正在利用美国科罗拉多州Biochar Now公司10多年来开发的技术开发这种技术级生物炭。

■   间歇式热解系统

间歇式热解系统基于环形炉设计，与更常见的干馏式炉相反，环形炉设计可通过自热内部加热并具有优秀的热均匀性和控制性能。在热解过程中，半纤维素和纤维素在较低温度下分解，吸热和放热反应的混合物相互作用，形成难以控制的热环境。在将这些生物质成分裂解成它们的合成气和焦炭成分后，剩余的木质素成分为精确的热控制提供更可控的燃料/原料。

当处于这种热可控状态时，允许整个原料批次（通常为1000kg水分< 20%的木质生物质）在特定设定温度（通常为675°C）下浸泡数小时。这使得原料完全转化为碳，除去大部分挥发性焦油和其他需要时间才能从原料中的深孔中挥发出来的化合物。也可以调节浸泡时间和温度以提高石墨相的结晶水平，或形成更多的无定形碳结构。通常情况下形成生物炭将具有高碳含量（>85-90%）、高表面积（~300m2/g）及良好的导电性。

目前，锂离子电池设计中负极材料中使用的商用石墨具有372mA h/g的低理论容量和有限的倍率性能。石墨层之间锂离子的嵌入和脱嵌过程是锂离子电池充放电过程的关键，但如果锂离子电池充电过快，嵌入可能无法顺利进行。

锂离子不会穿透石墨基体，而是聚集在负极表面，从而产生电镀效应，可能会损害或破坏电池，实际上这种现象也会限制锂离子的充电速度。除电镀外，快速充电还会导致石墨孔隙中副反应产生的化学产物积聚，从而使石墨产生不可逆膨胀，进一步损害其性能。此外，石墨行业正在面临降低污染水平的压力。目前的净化过程主要在中国完成，所需的大量化学品对环境具有负面影响。

目前，超级电容器电极材料的理论电容和实际电容之间也存在差异，导致这种差异的原因是由于比电容和比表面积（SSA）交流电极之间的作用。具有约3000m2/g的高SSA电极的超级电容器通常表现出相对较小的电容，这表明在电荷积累期间并非所有的孔都是有效的。因此，尽管超级电容器中的SSA是其性能的重要参数，但孔径分布似乎更重要。

在超级电容器和锂离子电池的文献中已经确定了提高生物炭性能的三个关键参数：

■   提高孔隙率

结果表明，用KOH对竹生物炭进行热处理以增强孔隙率超级电容器，得到比表面积超过3000m2/g的活化竹生物炭，具有均匀的小孔径且大部分孔径小于2nm，而通常活性炭孔径尺寸可达50nm。

微孔的突出会形成超过300F/g的高比电容，相比之下，通常具有高质量活性炭的商用超级电容器比电容为203F/g。此外，在3000次循环后，电容保持率为92%。锂离子电池还表现出高效的机械性能，能实现更好的循环。

■   形态控制

锂离子负极性能随着无序的涡轮静态(硬)碳形态而提高。与规则的石墨晶体结构相比，这使得锂离子的嵌入和脱嵌过程更加容易。

然而，为了超级电容器的性能，最好失去石墨结构并将该结构减少为更加无定形，这将增加超级电容器的性能。

■   杂原子自掺杂

将杂原子(杂环化合物环中除碳以外的原子)引入生物炭材料的碳基质中是改善超级电容性能的另一种有效方法。许多生物炭自然含有大量的自掺杂氮、磷、氧和硫。

KOH活化的含氮竹生物炭材料的电容性能和结果表明，虽然合成的材料具有221m2/g的相对较低的比表面积，但它可以达到297和284 F/g的优异比电容。这种优越的电容主要归因于氮和氧官能团的氧化还原反应产生的假电容(该材料含有10wt%的氧和8wt%的氮)。此外，电极表现出优异的循环稳定性。在10000次循环后仅观察到3%的电容衰减，在酸性和碱性电解质中表现出良好的导电性和电荷传播速度。

对于锂离子电池来说，将富含电子的N原子掺杂到生物炭的石墨碳基体中，也会引入更多的化学活性缺陷。这不仅增强了电子导电性，而且为Li+吸附提供了更多可用的活性位点，从而实现高Li+储存容量。当用作锂离子电池的负极材料时，掺氮生物炭在0.1°C下提供了505 mA/g的高可逆容量，比石墨的理论容量高1.36倍。此外，掺氮生物炭在10 °C下表现出190mAh/g的高倍率容量(1°C= 372mAh/g)。开发具有由杂原子掺入引起的层间距离更大的碳基材料也将有助于提高锂离子的扩散速率和加快电池充电速度。

生物炭解决能源储存需求

回顾迄今为止的实验文献，来自各种原料的生物炭非常适合用作超级电容器电极和锂离子电池负极材料。通过提高孔密度、改变形貌以及用杂原子掺杂材料，可以提高性能。关键是将实验室规模生产的生物炭扩大到工业规模生产，同时保持其质量。生物炭可以作为一种重要的可持续工程碳，有助于解决未来的能源储存需求。

作者：Kent Goeking PhD， Lee Enterprises Consulting Special｜《The Digest》

信息参考来源：

https://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2022/12/16/biochar-for-energy-storage-applications/