木质基电化学储能器件的研究进展

张伟业，刘毅，郭洪武

北京林业大学材料科学与技术学院木质材料科学与应用教育部重点实验室

摘 要：随着全球能源需求的持续增长,高效的能源存储方式变得尤为关键。电化学储能器件（如超级电容器、锂离子电池等）是一种典型的高效储能系统,其中超级电容器具有功率密度高、循环寿命长等优点;锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应、自放电率低等优点。但现有电化学储能器件不可生物降解,对环境有一定的危害。生物质如木材作为光合作用的产物,具有低成本、可再生、绿色环保等优点,采用生物质制备衍生的电化学储能器件越来越受到人们的重视。电化学储能器件主要由电极材料、电解质及集流体等部件构成,器件的设计组装方式和结构形式是影响其电化学性质的一大关键因素。目前,关于电化学储能器件的制备,例如超级电容器是将碳材料等磨成粉末并加入粘合剂进行和浆制片,粘合剂的加入容易阻塞活性炭孔洞,从而降低其电化学性能,而且活性炭只能作为多孔储能物质,本身无法作为自支撑材料用于制备电极。常规锂电池的制备是将电化学活性材料与导电添加剂和黏结剂溶解在有机溶剂中形成浆料,并将其涂覆在集电器上以形成电极,但在制备过程中会导致电极的破裂以及电化学活性材料从集电器上分离。木材是一种可再生的生物质资源,具有多层级结构,木材经高温炭化处理或者负载电化学活性材料后可作为3D导电基板,独特的开放直通道有利于促进离子传输并提供高表面积,以实现活性材料的有效负载。此外,采用水热法或电化学沉积的方法在炭化木材上负载金属氧化物/氢氧化物、具有高理论电容的导电聚合物,从而制备复合电极材料,并将其用于超级电容器自支撑电极,可使其显示出优异的电化学性能;以木材为基板并负载磷酸铁锂等活性材料制备电极,有效地解决了传统电化学活性材料与基板开裂脱离的问题。本文归纳了木质基电化学储能器件的研究进展,详细分析了木材在超级电容器、锂离子电池、锂空电池、锂硫电池的应用,着重介绍了木材的孔结构对电化学储能设备的影响,探讨了木质基电化学储能器件面临的问题及今后的发展前景,为制备高性能、环境友好型的木质基电化学储能设备提供参考。

关键词：天然木材;多层级结构;电化学储能器件;超级电容器;锂离子电池;