目的
矽碳（Si-C）複合負極和鈉離子電池的快速發展凸顯了微孔碳的重要性。在Si-C負極中，高微孔率能夠為矽沉積提供穩固的支架，從而最大限度地提高比表面積和容量。對於鈉離子電池而言，硬碳仍然是高效能離子嵌入的首選材料。多種碳前驅體可用於製備多孔碳基負極，包括煤基碳、瀝青基碳、多醣基碳和生質基碳。其中，利用生物質廢棄物（例如殼、果皮、秸稈和稻殼）透過高溫碳化和結構重建製備高品質微孔負極材料，是一種經濟環保且符合全球資源循環利用政策的方法。

雙氣體吸附技術的微孔分析
使用微孔碳負極材料需要採用先進的氣體吸附技術對微孔進行可靠的特性分析。由於缺乏低壓感測器，標準的氮氣吸附儀在分析最細小的微孔時往往力不從心。為了解決這個問題，Micromeritics 在其業界領先的 TriStar II Plus 3030 儀器上採用了雙探針(Dual probes)方法：

• 氮氣 (N₂) 吸附：提供中孔和較大微孔的廣泛資訊。
• 二氧化碳 (CO₂) 吸附（273 K）：與氮氣 (N2) (3.64 Å) 相比，二氧化碳分子更線性、更小 (3.3 Å)，因此能夠擴散到更小的孔隙中。在 273K 時，由於動力學速率更快且飽和蒸氣壓更高，CO₂ 能更快地擴散到狹窄的碳孔中，從而更有效地探測更小的孔徑。

案例研究：生物質衍生硬碳負極材料的研究
圖 1 顯示了使用 Tristar II Plus 3030 對生物質衍生硬碳負極材料進行 N₂ 吸附等溫線的曲線。

圖1：生物質衍生微孔硬碳陽極的N₂吸附等溫線

這是典型的 Ib 型吸附等溫線，顯示該材料中存在微孔和 2-3 nm 的中孔。其總吸附容量也相對較大，且具有較高的孔表面積。在本體測試（圖 2）中，滲透性測試產生了更顯著的差異。金屬粉末 C 在粉末床上產生的壓力降明顯高於其他樣品，顯示金屬粉末 C 的滲透性遠低於粉末 A 和 B。

圖2：生物質衍生微孔硬碳負極中根據N₂等溫線計算的孔徑分佈

圖 2 顯示了利用 N2 等溫線的 NDLFT 分析計算所得到的孔徑分佈。結果表明，孔徑範圍為 9 Å 至 28 Å。此 N₂ 等溫線未顯示小於 9 Å 的孔。在 TriStar 儀器上，除了 N₂ 等溫線外，還可以透過採集 CO₂ 等溫線來研究微孔性。Tristar 儀器除了配備專用的氦氣模式外，還可以輕鬆切換多達 3 種氣體。圖 3 顯示了在 273 K 下測得的 CO₂ 吸附等溫線。

圖3：生物質衍生微孔硬碳負極的CO₂吸附等溫線

文獻中已充分報導，雙氣體 NLDFT 模型可以對微孔材料中的孔徑進行全面分析1-3。透過在 MicroActive 軟體中應用雙氣體 NLDFT 高級 PSD 方法——N₂ 的 HS-2D-NLDFT 和 CO₂ 的 NLDFT——我們可以獲得涵蓋微孔和中孔範圍的完整孔徑分佈，如圖 4 所示。

圖4：生物質衍生微孔硬碳負極中N₂和CO₂的綜合孔徑分佈

圖中，綠色曲線代表孔徑分佈，峰值對應的孔徑稱為眾數孔徑。藍色曲線代表累積孔體積。分析表明，該材料主要由小於20 Å的微孔和一些20-30 Å範圍內的鍾孔組成。分析也顯示，此材料孔徑的累積比表面積達到1525 m²/g。對於微孔材料，採用非線性密度泛函理論（NLDFT）計算的比表面積比簡單的BET估算更為準確。

生物質衍生微孔硬碳負極的總孔體積和孔表面積。這種具有大表面積的負極材料是製備高矽含量矽碳負極的良好模板，進而可以顯著提高負極的比容量。

模型精度和一致性
如圖 5 所示，NLDFT 高階 PSD 模型與實驗數據點和理論吸附等溫線（實線）吻合良好。此驗證結果證實了所推導的孔體積和表面積測量的可靠性。

圖5：實驗吸附等溫線與理論吸附等溫線的吻合程度

結論
本案例研究中使用的生物質衍生硬碳具有極高的比表面積，使其成為高矽含量負極的理想前驅體。透過將廢棄物轉化為高價值的儲能材料，製造商可以在顯著降低成本的同時提高比容量 (Specific capacity)。

Micromeritics 在電池材料分析領域持續保持領先地位，提供先進的硬體和分析模型，例如具有多種氣體選項的 TriStar II Plus 3030 儀器以及基於 HS-2D-NLDFT 的分析模型，能夠可靠地分析這些複雜微孔材料的比表面積、孔體積和孔徑分佈，從而釋放其在高性能儲能應用中的潛力。