能源是人类文明进步的基础，但过去一个世纪人口的快速增长导致了严重的过度消耗和不可持续的供应链[1][2][3]。这种能源缺口引发了诸多挑战，包括资源枯竭、温室气体排放增加以及全球变暖等显著环境恶化问题[4]。不可否认，由于替代技术发展较为缓慢，在可预见的未来，煤炭和石油基燃料费仍将占据主导地位[5][6]。在这一追求可持续增长的任务中，已提出多种解决方案以应对生态与能源问题。诸如太阳能和风能等特定类型的可持续能源具有间歇性特征，因此所产电力需先存储于二次电池中，直至其可被常规整合至能源供应链[7][8]。针对这一理念，过去一个世纪已开发出包括二次电池在内的多种储能方案，旨在减少化石燃料费的大量消耗[8][9]。其中，锂离子电池（LiBs）已逐步占据二次电池市场的主导地位，并在近年来保持显著的市场份额（图1）[10][11][12]。 此外，锂离子电池（LiBs）在多个敏感应用领域占据重要地位，尤其是电动汽车（EVs）、医疗保健和电子设备[13]。除非开发出其他电池技术，随着电动汽车需求增长，其普及度预计将持续提升[14][15]。从应用角度考量，锂离子电池的典型使用寿命为3至8年[16]。考虑到成本、可持续性以及确保最佳性能和寿命的实际可行性，其健康状态（State of Health, SOH）的评估往往至关重要且具有挑战性。当前评估电池健康状态的常用技术主要包括实验法、建模法和数据驱动法。实验技术通过直接评估锂离子电池的物理或化学特性来判断其老化程度，但大量测试使得实时监测难以实现。相比之下，建模技术通过数学描述符间接评估电池健康状况，然而复杂的多因素相互作用导致难以建立实时电化学特性模型。最近，He等人[17]采用声发射信号结合全寿命评估方法来估算电池健康状态。该方法通过检测电池工作时的内部发射信号，实现了对电池健康状况的连续实时监测。这种非侵入式方案能准确高效地检测早期性能衰退征兆，克服了传统方法在实际应用中的局限性，为锂离子电池性能退化进程监测提供了新思路。 截至2015年，锂离子电池主要应用于电子产品领域，包括智能手机和笔记本电脑。由于其来源分散，规模化回收面临较大挑战[18]。图2(a)展示了典型的锂离子电池回收流程，包括预处理和湿法冶金等关键技术环节[19][20]。图2(b)呈现了从生产到废料管理的锂离子电池闭环系统，图2(c)则展示了各能源部门的参与情况[21]。通常而言，锂离子电池比前锂电技术具有更高的比能量密度。图2(d-f)展示了LIBs、LMBs和LSBs在充放电循环过程中各组件及相态的变化情况[22][23][24]。鉴于锂离子电池材料成本高昂及其与其他组分的相互作用特性，电池回收或替代材料研发领域已引发广泛关注[25][26]。 在可持续能源领域，研究人员正在探索从可持续生物质中提取的生物基物质用于锂离子电池(LiBs)，以降低成本并减少资源消耗。这类生物质通常来源于城市废弃物、农产品、林业及畜牧业的多种渠道。这些天然材料具有成本低廉、可再生且易于获取的优势，可作为化石燃料的替代品[27]。该方法不仅能回收利用看似无价值的废弃物，还有助于开发锂离子电池的先进组分材料，从而提升其性能和可持续性。尽管已有若干关于生物质衍生材料用于锂离子电池的综述研究，但据我们所知，目前尚未有研究全面系统地探讨生物质衍生材料在锂离子电池(LIBs)、锂金属电池(LMBs)和锂硫电池(LSBs)所有主要组件（阳极、阴极、粘结剂、隔膜和电解质）中的应用。为填补当前知识空白，本综述重点探讨生物质衍生材料合成技术面临的挑战及其在锂离子电池组件实际应用中的局限性。
生物质资源工程及其驱动材料因其优化的结构和功能特性（图3），可成为电池组件的一种有趣替代方案。%% 此外，生物质衍生合成途径通常采用符合绿色化学原则的可再生低能耗路线，为高效可再生能源系统的发展铺平了道路。生物质衍生材料是天然存在的植物和动物基碳氢化合物前驱体，这些材料还能产生多种碳基纳米复合材料[29][30]。利用从废料中提取的可持续碳基纳米结构，可以增强一系列实际能源相关应用。各类营养食品、天然成分及废弃产物均可用于制备多种新型碳纳米结构，为能源与环境领域的先进材料开发提供可持续、低成本的替代方案[31]。生物质具有多样的形态、尺寸和组分，被视为一种低成本、易获取的碳源，是锂离子电池组件极具前景的原材料[32]。表1详细阐述了生物质的通用特性、各类物质及其对应来源。
植物废弃物和提取前驱体被用作可持续的富碳原料来制备碳基纳米颗粒[33]。最常使用的植物部位包括叶片、花朵、果实、根系、外壳、树皮、茎秆及果皮[34]。通常需要进行预处理以去除吸附水分，并从不同原料来源中获得纳米级形态[35]。总体而言，日光干燥的生物质比常规脱水工艺更具能效优势；同理，果汁作为水热合成的"即用型"基质，免除了干燥植物材料再生的需求。但这些优势往往伴随局限性，包括碳多样性降低，导致其结构与功能多样性较干燥原料有所受限。 类似地，植物基生物质可通过杂原子修饰（例如碳质骨架中的氮掺杂）为碳复合材料提供功能增强，从而提升预期电化学系统的性能。例如，一项研究以柳树叶为原料制备了用于锂离子电池电极的复杂碳质基质[36]。研究发现原始柳树叶含有碳、氢及其他杂原子（如氧和氮），这使其成为合成功能化碳基材料的理想天然前驱体。小麦秸秆因其天然的类植物纤维结构，能在极端加工条件下直接形成高度多孔的碳材料，因此可作为制备碳基锂离子电池组分的优质原料[37]。由此可推断，植物基生物废料通常具有以下优势：储量丰富、环境友好、成本效益高、易获取性、可调控特性以及对锂离子电池的高性能表现。与植物生物质相比，动物生物质具有更复杂的组成成分，包括蛋白质、脂类、核酸和矿物质的多样化混合物[38]。全球每年生产超过3亿吨动物肉类以满足公众对蛋白质的需求，这一过程同时产生大量蛋白质废弃物。蛋白质水解产物难以脱氨基化，因此不适合用于生物燃料生产。然而，鉴于其富氮特性，蛋白质作为生物质底物对于原位生产氮掺杂碳基化合物具有显著吸引力，且已被证实相较于普通碳材料具备更优异的电化学性能。目前已有大量研究致力于从牛奶、蚕丝、纤维蛋白、鸡蛋、大豆及胶原蛋白等多种丰富生物质中获取蛋白质衍生碳化合物[39][40]。动物源性生物废弃物因其易获取性、低成本、环境友好性及卓越的电化学性能，可成为储能应用领域的绿色替代材料。生活垃圾已被研究作为住宅和商业应用中能源转化的潜在来源。这些生物废弃物可转化为环保型纳米材料，并应用于储能设备。例如，鉴于每日有数百枚鸡蛋因超过保质期而被丢弃，将鸡蛋作为有价值的生物质用于生产碳化合物已被证明是一种实用的废弃物管理策略。例如，蛋黄衍生碳材料被用于制备氮磷共掺杂碳胶囊，多重杂原子处理导致碳胶囊石墨镀层中形成缺陷结构[8][41]。研究发现，将氮、磷等杂原子的掺杂活性与碳质基底构型相结合，可提供更多活性位点以促进锂离子传输[42]。总体而言，以生活垃圾为基础的生物质能是一种可再生、低成本的能源，若能通过妥善管理将其转化为能源，则有助于减少填埋场占用与温室气体排放。活化是通过使用各种气体或活化剂与含碳物质反应，从而创造微孔、中孔和大孔的过程。该过程是关键的形貌调控阶段，必须仔细优化活化方法的各项参数，才能制备出符合要求的碳组分。根据所用活化剂类型的不同，活化可分为物理活化与化学活化两种形式[43]。两种方法的选择取决于目标孔隙结构、应用场景、成本及环境因素的综合考量。本节简要阐述了能源应用领域中生物质材料常用的典型活化方法。
在物理活化过程中，生物质经历两个阶段。第一阶段涉及生物质基质在惰性燃料费环境下的热解，导致显著碳化并去除非碳组分[44]。第二阶段由氧化性燃料费环境（如热空气、大气二氧化碳或空气混合物）中的活化程序构成，氧化性燃料费与碳骨架发生相互作用[45]。活化时间是关键指标，因其决定了碳与燃料费反应的程度。虽然物理活化是高效方法，但高温热解、高能耗成本及燃料费处理阻碍了其实际应用。通过优化温度与燃料费流速等物理活化参数，可增强孔隙率与结构稳定性，从而提升整体效率。化学活化不同于物理活化过程，其涉及活化剂的引入，且碳化过程与活化作用同时发生。简言之，活化后活化剂进入碳基体内部结构，碳骨架发生交联缩聚反应[46][47]。所使用的脱水化合物与氧化剂包括KOH和ZnCl2等。2作为活化剂被广泛使用。尽管将生物质衍生碳引入锂离子电池组件的化学活化法是一种有效手段，但生物聚合物的化学活化仍存在若干缺陷，包括残余污染物、结构劣化以及严苛化学工艺引发的环境问题。通过采用环保型活化剂、优化活化条件并运用后续处理技术，这些问题可得到有效缓解，最终制备出高效锂离子电池组件。生物质衍生碳的碳化过程通常涉及生物聚合物基底的分解，随后进行聚合物材料的碳化[48]。一些重要的碳化工艺采用化学气相沉积（CVD）技术，该技术利用富氮试剂在特定基底上生成氮包覆石墨烯片层。CVD工艺的可控性取决于反应物的分布速率及其相对含量，从而获得适宜的掺杂比例。该技术因其能提升传导性能与电极表面积，被广泛应用于基于生物聚合物基底的储能装置中[49]。其他碳化工艺可能涉及水热法处理，即利用高温和水分解生物聚合物以生成碳化支架。最新研究发现，采用KOH作为化学促进剂有助于制备氮掺杂材料。在无氧条件下优化碳化温度，可分解生物聚合物并生成氮掺杂碳组分[50]。碳化工艺对生物质衍生材料作为锂离子电池材料时的孔隙率、结构特性及电化学性能具有显著影响。然而，这些材料仍面临不可预测的收缩率、低碳产率及顽固污染物等问题，需进一步优化设计。
热解是指在高温无氧条件下有机物质发生热化学分解的过程。该过程的主要变量包括温度、时间和气体流速。生物质原料中的主要组分（如纤维素、半纤维素和木质素）以及少量组分（如提取物和无机物质）在高温下会经历复杂的转化过程。部分造孔材料如K2CO3、NaOH、H3PO4和MgCl2LiCl 和 ZnCl2碳材料常能形成具有高比表面积的多孔框架结构[51]。例如，Stephan等[52]采用ZnCl2和KOH等造孔剂，在N2氛围下以10°C/min的升温速率对香蕉纤维进行热解。经800℃热解1小时后，ZnCl2或KOH的引入使比表面积从36 m2/g显著提升至1285 m2孔径从19 Å扩大至57 Å。随着这些进展，诸多挑战随之显现，包括结构均质性、碳化温度以及更优异的电化学性能等问题，这些均可能需要进一步优化。通过掺杂化合物工程的进步和分级结构的设计，可为可再生高效锂离子电池组件创造更灵活的解决方案。生物质衍生碳材料以其独特的比表面积、多孔构型和优异的机械强度为特征，其性能通常受生物质原料及热解工艺影响。这类材料的化学与物理特性会随其变形和聚集程度而变化。此外，生物质衍生材料的具体特征主要由表面官能团、杂原子和无机组分决定。通过受控合成和预处理工艺调控这些参数，可最终提升其在储能应用中的功能性。最新研究强调了多层结构和掺杂官能团（如氮、硫、氧）对促进离子传输和改善电化学容量保持的重要作用。尽管前景广阔，这些材料在维持可靠性能与可持续性方面仍面临挑战[53]。持续探索生物质选择、可持续生产方法以及结构性能与储能之间的相互作用，对于仿生储能器件的发展至关重要。
由于多孔框架的固有特性，其组装过程在碳材料生产全流程中具有关键作用[54]。微孔和中孔能显著增加材料的比表面积，暴露出更多活性区域[55][56]。然而这两类孔隙之间的孔径分离度较高，会抑制离子迁移。因此与具有均一孔径的多孔物质相比，层叠式多孔复合材料在实际应用中表现更优[57][58]。生物质组分直接转化为碳基化合物时，通常难以获得多孔框架结构（即多层多孔框架）。因此，在碳化前需对生物质产物进行精确调控。此外，由于原料多样性和制备方法的差异，生物质衍生碳材料的性能可能呈现显著波动。因此，必须深入理解这些组分在能源应用领域特性与功能差异的内在成因。生物质前驱体的选择对生物质衍生碳的特性具有显著影响，其主要原因在于生物质衍生碳的本质属性及其改性工艺。例如，半纤维素作为一类分散的支链聚合物，主要由戊糖、己糖和糖醛酸构成，占原料重量的15%至30%[59]。与此相反，纤维素则是完全由β-由β-糖苷键连接的吡喃葡萄糖单元组成，在240-350°C时发生分解，占原料重量的40-50%[60]。木质素主要由松柏醇、芥子醇和对香豆素三种单体构成，占生物质总量的15-30%，其热分解温度范围为280-500°C[61]。木质素中的单体间C-O-C键及聚合物苯环相邻链在受热时断裂，生成带有自由基的苯环结构，而残留分子或自由基可通过缩合过程形成完整的大分子骨架[62]。例如，木材中组分的数量及其构型会影响碳化过程中所得生物质衍生碳的特性[63]。通常纤维素和半纤维素在270-380°C范围内的质量损失率高于木质素[64]。因此可以发现，在相同制备条件下，源自高木质素浓度木质纤维素生物质的碳材料会表现出更优异的机械性能。-glucopyranose units joined by β-glycosidic linkages, which decompose at 240–350 °C. It makes up 40–50% (weight percentage) of the feedstock [60]. Coniferyl, brassica alcohol, and P-coumarin are the three main monomers that make up lignin, which makes up 15 to 30% of biomass and breaks down between 280 and 500 °C [61]. In lignin, the C-O-C linkage between monomers and the adjacent chains of the polymer benzene ring breaks when heated to produce benzene rings with free radicals, while the remaining molecules or free radicals can form an intact macromolecular framework through the condensation process [62]. For example, the number of components and their configuration in wood can influence the properties of the biomass derived carbon produced during carbonization [63]. Normally, cellulose and hemicellulose experience greater mass losses at 270–380 °C than lignin [64]. Consequently, it may be found that carbon derived from lignocellulosic biomass with a high lignin concentration exhibits greater mechanical properties under the same preparation conditions.生物质衍生材料制备过程中最关键的可控因素是温度优化，这一过程被称为石墨化程序。随着热解温度的变化，生物质会发生不同程度的石墨化，从而产生一系列缺陷和孔隙。此外，CO2等挥发性化学物质会在不同热解温度下释放。因此，温度变化可能导致不同区域的组分挥发，进而形成精确的孔隙网络（大孔、介孔和微孔）[65]。由此可见，特定孔隙构型的定向调控也具有可行性。例如，生物质中的微晶纤维素随温度升高会逐渐转变为五种不同形态：初始为未改性物质，随后依次形成过渡炭、纳米晶炭、互联炭和涡轮层炭[66]。生物质衍生碳的比表面积和渗透性因此产生数个数量级的变化，这表明分解过程与前驱体优化对其特性具有显著影响[67]。因此，热解温度是调控生物质衍生炭比表面积提升的关键因素[68]。停留时间与恒温设定同样能显著影响生物质衍生炭的特性。例如，半纤维素在比木质素更低的温度下即发生分解。当温度分别达到250°C和350°C时，半纤维素与木质素会部分分解，所得生物质衍生炭可能呈现非均质结构，从而削弱其机械耐久性[69]。简言之，通过调控合成参数（如温度、pH值、生物质浓度及活化技术）可定向设计生物质衍生炭的结构与电化学特性。这些调控手段将增强离子传输能力与导电性，进而提升电池性能与循环寿命。
