【科研进展】厦门大学郑志锋教授团队：柔性生物质碳基储能材料相关研究介绍

个人简介

教育和工作经历

2020.12-至今：厦门大学南强重点岗位教授

2019.12-至今：福建省新能源产业技术开发基地主任，中国福建能源材料科学与技术创新实验室（嘉庚实验室）双聘研究员

2019.6-至今：厦门大学能源学院副院长；

2018.7-至今：厦门大学闽江学者特聘教授/博士生导师；

2019.12-至今：福建省新能源产业技术开发基地主任；

2001.7-2018.7：西南林业大学，曾任材料工程学院副院长、院长，科技处处长，曾任林业生物质高效利用技术国家地方联合工程研究中心（云南）常务副主任等，期间：

2012.2-2013.3，2015.11-2016.3：美国可再生能源国家实验室（NREL），访问学者；

2009.2-2009.7：美国路易斯安娜州立大学，访问学者；

2007.9-2010.9：中国林业科学研究院林产化学工业研究所，博士后；

2006.8-2007.8：中国林业科学研究院林产化学工业研究所，中央组织部“西部之光”访问学者；

2002.9-2006.7：东北林业大学，木材科学与技术，博士。

研究方向

目前主要从事新能源/生物质能源、碳材料及储能（锂电、超电、燃料电池等）、新能源系统等方面的创新性基础研究、应用研究与产业化技术开发工作。

主页链接

https://energy.xmu.edu.cn/2020/1208/c19826a425923/page.htm

近期代表性论文

1.A Surface Chemistry Approach to Tailor the Hydrophilicity and Lithiophilicity of Carbon Films for Hosting High-performance Lithium Metal Anodes. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000585

2.Flexible Lignin Carbon Membranes with Surface Ozonolysis to Host Lean Lithium Metal Anodes for Nickel-Rich Layered Oxide Batteries. Energy Storage Mater. 2020, 24, 129‒137

3.Upgrading agricultural biomass for sustainable energy storage: Bioprocessing, electrochemistry, mechanism. Energy Storage Mater. 2020, 31, 274‒309

4.Chemical-enzymatic fractionation to unlock the potential of biomass-derived carbon materials for sodium ion batteries. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 26954‒26965

5.Understanding the Critical Chemistry to Inhibit Lithium Consumption in Lean Lithium Metal Composite Anodes. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 16003‒16011

6.Selective Hydrogenation of Furfural over the Co-Based Catalyst: A Subtle Synergy with Ni and Zn Dopants. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 8507−8517

7.Efficient and stable Ni-Cu catalysts for ex situ catalytic pyrolysis vapor upgrading of oleic acid into hydrocarbon: Effect of catalyst support, process parameters and Ni-to-Cu mixed ratio. Renew. Energ. 2020, 154, 797−812

生物质基储能材料代表性工作介绍

1.表面臭氧化的木质素基柔性碳纤维膜作为贫锂负极的骨架材料

由于金属锂枝晶而引起的循环寿命短和安全性不足等问题，高容量锂金属电池至今仍未得到广泛的实际应用。将轻质的碳材料作为金属锂的骨架被认为是有效解决上述问题的方法之一。此外，从能量密度、成本和安全的角度考虑，在面向实用化的锂金属电池中，金属锂负极的用量应该尽可能最少化，即需要开发能够实现长循环的“贫锂负极”。在这篇工作中，作者首次以含量丰富、廉价的木质素为原料，通过静电纺丝的方法制备了木质素基碳纤维膜，并采用臭氧化的表面修饰策略，使得臭氧化木质素基碳纤维膜（OLCM）具有均一的锂形核位点，诱导金属锂的均匀沉积。用该碳纤维膜制备的复合贫锂负极（OLCM@Li）在OLCM@Li | Li电池中可以实现稳定的库伦效率（超过230圈仍能保持98%），长循环寿命（大于1000小时），以及较小的充放电极化（小于20 mV）。当以LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂为正极，OLCM@Li为负极，组装的全电池可以实现高可逆容量、高锂利用率，以及长循环寿命。

(a) 未经臭氧修饰（LCM）和经过臭氧修饰（OLCM）的碳纤维膜制备示意图；(b) OLCM的扫描电镜照片；(c) Cu@Li||Li, LCM@Li||Li, OLCM@Li||Li, Li||Li电池的充放电曲线（1 mA cm^‒2, 1 mAh cm^‒2）；(d) 正负极容量比C_NMC811/C_Li=0.8:6.0的循环曲线。

Flexible lignin carbon membranes with surface ozonolysis to host lean lithium metal anodes for nickel-rich layered oxide batteries

Lei Tao, Zhengrui Xu, Chunguang Kuai, Xuerong Zheng, Candace E. Wall, Chao Jiang, Alan R. Esker, Zhifeng Zheng*, Feng Lin*

Energy Storage Mater. 2020, 24, 129‒137

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.08.027

2.表面化学修饰策略调控作为高性能金属锂负极骨架碳膜的亲水性和亲锂性

多孔碳材料可以作为容纳金属锂负极的理想骨架材料，然而，由于金属锂对碳表面的浸润性不足，使得金属锂在碳骨架上的均匀沉积受到了阻碍。在本工作中，作者报道了一种通过温和表面臭氧化和氨化修饰的木质素衍生碳纤维膜，使得液态熔融金属锂更易实现对该碳骨架的浸润。基于此，作者制备出了一种实际容量高达3222 mAh g^‒1的锂@碳纤维膜（Li@CF）复合负极，并且对体积膨胀和枝晶形成均表现出了一定的抑制作用。研究发现，经过几次深入的沉积-脱出预循环后，在Li@CNF上形成的紧实金属锂有助于后续长循环的稳定性。以Li@CNF为负极，高面载量、无钴的Mg/Ti-LiNiO₂为正极，所组装的全电池在普通酯类电解液的条件下表现出高可逆容量、良好的循环稳定性以及优异的倍率性能。本工作进一步解释了碳材料亲锂性和亲水性之间的关系，为液态熔融金属锂与其他碳骨架复合的相关工作提供了一定的借鉴。    

（a）以亲水性或疏水性的碳骨架制备Li@CF复合负极的示意图；(b, c) CF的表面和截面扫描电镜照片；（d）CF的柔性展示；（e）经过多次折叠的CF仍可恢复到原始形状；（f）熔融锂渗入氨化CF骨架的过程；（g）制备的Li@CF复合负极的光学照片

A Surface Chemistry Approach to Tailoring the Hydrophilicity and Lithiophilicity of Carbon Films for Hosting High-Performance Lithium Metal Anodes

Lei Tao, Anyang Hu, Zhijie Yang, Zhengrui Xu, Candace E. Wall, Alan R. Esker, Zhifeng Zheng,* and Feng Lin*

Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000585

https://doi.org/10.1002/adfm.202000585

3.废弃生物质衍生的多孔碳纳米纤维用于锂离子电池的负极材料

本工作中，作者提出了一条从生物质原料到碳纳米纤维（CNF）再到锂离子电池负极的完整制备路径。作者以废弃的核桃壳为原料，通过相对简单的液化方法，以及之后的静电纺丝、碳化等步骤制备了CNF。形成的CNF膜可以直接被用作锂离子电池（LIB）的自支撑负极，而不再需要添加额外的粘结剂等。作者对CNF制备的系列参数进行了综合评测，包括配制电纺溶液中聚乙烯醇（PVA）添加的比例以及碳化温度等。作者还对所制备的CNF的形貌、结构特点、表面积进行了系统性表征。并对以CNF为负极所组装的锂离子电池电化学性能进行了测试。结果发现当碳化温度为800℃，PVA添加比例为20%时，所制备的CNF负极具有最高的比容量（380 mAh g^‒1，测试电流密度为0.03 A g^‒1），首圈库伦效率为55.89%，并且在0.1A g^‒1电流密度下也表现出较好的长循环稳定性和高可逆容量（280 mAh g^‒1）。

PVA添加量为20%时：(a1‒a2)制备的静电纺丝纳米纤维宏观光学照片及扫描电镜照片（a3‒a6）碳化后CNF的宏观光学照片及不同碳化温度下（800oC，1000oC, 1200oC）的扫描电子显微镜照片；(b)不同碳化温度CNF负极的倍率性能及 (c) 长循环性能

Porous carbon nanofiber derived from a waste biomass as anode material in lithium-ion batteries

Lei Tao, Yuanbo Huang, Yunwu Zheng, Xiaoqin Yang, Can Liu, Mingwei Di∗, Siriporn Larpkiattaworn, Mark R. Nimlos∗∗, Zhifeng Zheng∗∗∗ 

J. Taiwan Inst. Chem. E. 2019, 95, 217‒226 

https://doi.org/10.1016/j.jtice.2018.07.005

4.化学-酶解分离法揭示生物质基碳材料应用于钠离子电池的潜能

林木生物质是一种丰富、可持续的碳源，为应用于钠离子电池的硬碳材料提供了丰富的来源。然而，生物质自身复杂的组成成分为碳材料结构及电化学性能的可预测性带来挑战。在本工作中，作者利用化学-酶解分离技术成功将非木质纤维组分、半纤维素和纤维素去除，制备了一系列相应的碳材料前驱体，从而能够更加深入地理解影响生物质不同组分衍生的碳材料在电池中性能具有差异的原因。本文以废弃啤酒糟为代表性原料，将非木质纤维组分去除后再进行碳化，发现碳材料比表面显著降低，同时作为钠离子电池负极的比容量得到提升。若同时移除非木质纤维组分和半纤维素后再进行碳化，则能得到更多sp2结构的碳材料，层间距增加，相应的电池比容量提升了四倍。当进一步将纤维素也去除，只保留木质素再碳化，作者发现衍生碳的sp2结构减少，且电池循环稳定性也有所下降。本研究的结果说明了用于钠离子电池负极的生物质衍生碳的电化学性能也许和纤维素及木质素的含量成正相关，而与非木质纤维组分及半纤维素的含量成负相关性。基于此，作者进一步以葡萄皮渣和核桃壳为原料，为了提高衍生碳材料作为钠离子电池负极的电化学性能，作者将原料中的非木质纤维组分和半纤维素移除后再制备碳材料。结果表明，该衍生碳材料作为负极时在50 mA g^‒1电流密度下具有296 mAh g^‒1的可逆容量，且在200圈循环后仍有86.4%的容量保持率。这篇工作通过分离生物质不同组分，为进一步调控生物质衍生碳材料的电化学性能提供了理论基础。

通过生物质组分分离法制备不同碳材料以作为钠离子电池负极的流程示意图

Chemical-enzymatic fractionation to unlock the potential of biomass-derived carbon materials for sodium ion batteries

Yiming Feng, Lei Tao, Yanhong He, Qing Jin, Chunguang Kuai, Yunwu Zheng, Mengqiao Li, Qingping Hou, Zhifeng Zheng, Feng Lin*, Haibo Huang*

J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26954–26965

https://doi.org/10.1039/C9TA09124F

5.综述：面向可持续能源储存的农业生物质升级：生物工艺，电化学，机理

为了应对全球变暖带来的生态危机，化石燃料的过度消耗以及环境污染问题，“绿色革命”作为一项综合性的升级策略而被提出，这一策略旨在解决与食品、农业、能源和环境等相关的可持续性问题。在过去的几十年间，在可充电电池领域的技术性突破使得可取代化石燃料的移动式能源储存系统成为焦点，从而进一步推动了便携式电子器件和电动汽车的市场发展。近来，许多科学研究和工业生产进一步证实了从可再生的生物质为前驱体生产电池负极材料的可行性，尤其是锂离子电池和钠离子电池。生物质是可再生的有机原料，并且在全球范围内可提供丰富的碳源。尽管已经有许多相关的研究成果被报道，但是仍留有许多关键问题，尤其是跨学科的问题亟待解决，目前仍缺乏针对生物质主要组分在热化学处理过程中的转化机理、特点，碳材料产率与加工条件和前驱体成分的关系，以及碳材料作为储能材料的作用机制和电化学行为等方面的深入认识。因此，作者在这篇综述中提供了深入的讨论和分析，以期建立起针对生物质基储能材料这一领域的学科交叉与交流，并阐明农业废弃生物质和电池材料电化学性能之间的相互联系。

生物质转化为储能材料过程中的重要参数、工艺条件及材料性能的概述图

Upgrading agricultural biomass for sustainable energy storage: Bioprocessing, electrochemistry, mechanism

Yiming Feng, Lei Tao, Zhifeng Zheng**, Haibo Huang***, Feng Lin*

Energy Storage Mater. 2020, 31, 274‒309

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.06.017 

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