藿香正气液复方药渣制备钠离子电池硬碳负极材料研究综述及手套箱应用解析
发布日期：2026-09-30 浏览次数：11
中药生产过程会产生大量中药渣固体废弃物，藿香正气液复方药渣作为中成药工业化生产副产物，年产量大、传统填埋焚烧处置成本高、易造成环境污染，同时药渣本身富含木质素、纤维素等碳质前驱体，是制备硬碳负极材料极具潜力的生物质碳源。钠离子电池凭借钠资源储量丰富、成本低廉等优势，在大规模储能领域具备广阔应用前景，硬碳是目前钠离子电池商业化最核心的负极材料。本文以太极集团重庆涪陵制药厂藿香正气液复方药渣为原料制备钠离子电池硬碳负极的相关研究为基础，系统阐述该研究的基本内容、研究方法、现有研究进展、应用前景，并重点剖析在该材料电化学测试环节中手套箱的核心作用与应用场景，为中药渣基储能碳材料研发、电池组装与测试平台搭建提供参考。
一、研究基本内容
1.1 研究背景
中成药产业快速发展带来海量药渣固废。藿香正气液规模化生产后产生大量复方药渣，这类药渣含水率高、有机质丰富，传统处理方式以填埋、焚烧为主。一方面填埋会占用土地资源，渗滤液易污染土壤与地下水；另一方面焚烧会产生烟气污染物，且药渣中的碳资源被直接浪费，资源化利用率偏低，固废处置费用持续居高不下。如何将中药药渣变废为宝，实现固废减量化、无害化、高值化利用，是中医药产业链绿色升级亟待解决的难题。
与此同时，储能产业快速发展，锂离子电池受锂资源储量、价格波动限制，在大型电网储能、低速电动车等场景的应用受到制约。钠离子电池与锂电池工作原理相近，钠元素地壳储量丰富，开采成本更低，适配大规模储能场景。硬碳材料具有无序堆叠的微晶结构、较大层间距，能够容纳钠离子嵌入脱出，是钠离子电池首选负极材料。当前硬碳主流前驱体为酚醛树脂、沥青等化工原料，原材料成本较高，采用生物质固废作为碳源制备硬碳，能够大幅降低材料制备成本。
基于上述背景，本研究选取藿香正气液复方药渣作为生物质碳源，利用两步碳化工艺制备钠离子电池硬碳负极材料，重点探究碳化温度对硬碳微观形貌、晶体结构、孔结构与电化学储钠性能的调控规律，验证中药药渣制备高性能硬碳负极的可行性，建立中药固废资源化制备储能电极材料的技术路线。研究成果可推广至各类中药复方药渣，推动中医药产业固废绿色循环产业链延伸。
1.2 研究目标
- 以藿香正气液复方药渣为前驱体，采用两步碳化工艺制备钠离子电池硬碳负极材料，优化碳化温度工艺参数。
- 表征不同碳化温度下硬碳样品的比表面积、孔隙结构、碳层间距、微晶结构，建立碳化温度 — 微观结构 — 储钠电化学性能之间的关联。
- 筛选最优制备工艺：本研究中 1400 ℃碳化所得硬碳样品 F-1400，获得优异的储钠容量、循环稳定性与倍率性能。
- 验证中药渣基硬碳材料应用潜力，为中药固废高值化利用提供新方案。
1.3 核心研究结论
不同碳化温度会显著改变硬碳的微晶生长、孔道结构。温度过低时，药渣碳化不完全，碳材料杂原子残留多，无序碳结构发育不足；温度过高，硬碳微晶石墨化程度提升，层间距收缩，不利于钠离子嵌入，同时材料孔隙坍塌，有效储钠位点减少。1400 ℃制备的 F-1400 样品实现孔隙结构、比表面积、碳层间距与微晶结构的综合最优平衡。
电化学测试结果显示：F-1400 在 30 mA/g 电流密度下，首次充电比容量可达 300.2 mAh/g；70 次循环后容量保持率 97.3%。在 30 mA/g 活化 5 圈后切换至 300 mA/g 大电流密度，持续循环 500 次，可逆比容量稳定保持 209.3 mAh/g，材料具备优异长循环稳定性。该研究证明藿香正气液复方药渣可以作为低成本碳源制备高性能钠离子电池硬碳负极，该技术思路可迁移至其他种类中药渣。
二、研究方法
本研究整体分为原料预处理、两步高温碳化制备硬碳、材料物理表征、电池极片制备、扣式电池组装、电化学性能测试六大模块。其中电池组装与部分样品转移操作，必须在惰性气氛手套箱内部完成。
2.1 原料预处理
实验原料取自太极集团重庆涪陵制药厂有限公司藿香正气液复方药渣。首先对原始药渣进行清洗，去除药渣表面残留药液、无机盐杂质；随后烘干、粉碎、筛分，得到粉末状药渣前驱体，去除水分，保证后续碳化过程受热均匀。
2.2 两步碳化工艺制备硬碳
本研究采用两步碳化方案。第一步低温预碳化，在惰性保护气氛下对药渣粉末进行低温热解，将药渣中纤维素、半纤维素、木质素初步分解，脱除挥发分、含氧官能团，完成预炭化，得到预碳化碳中间体。预碳化可以防止高温碳化阶段样品大量发泡、结构崩塌，减少焦油生成。第二步高温碳化，将预碳化产物置于管式炉，在高纯氩气保护下，设置梯度碳化温度（包含 1400 ℃等实验组）进行高温热处理，调控硬碳微晶结构与孔结构；高温碳化结束后自然冷却，取出样品，研磨筛分，得到硬碳粉末。
2.3 材料微观结构表征
对不同温度制备的硬碳样品开展物化表征，分析温度对材料结构的影响：采用 X 射线衍射（XRD）测试碳材料层间距与微晶尺寸；采用拉曼光谱（Raman）分析碳材料无序化程度；采用氮气吸脱附测试材料比表面积与孔径分布；扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）观测材料微观形貌。通过上述表征手段对比不同碳化温度样品的结构差异，解释电化学性能变化机理。
2.4 电极片制备
将硬碳活性物质、导电剂、粘结剂按照一定质量比例混合，加入溶剂搅拌制备均匀浆料；将浆料涂布在铜集流体表面，经烘干、辊压、切片，得到硬碳负极极片。极片需要在真空烘箱充分烘干，彻底除去水分，水分会严重破坏钠离子电池体系，造成电池失效。
2.5 扣式钠离子电池组装
扣式电池组装全程需要在水氧含量严格控制的惰性气氛手套箱内完成。
- 手套箱气氛环境：箱内填充高纯氩气，H₂O、O₂含量控制在 0.1 ppm 以下。钠金属极易与水、氧气发生剧烈反应，电解液也对水氧高度敏感，一旦接触空气，钠片氧化、电解液水解，电池会发生不可逆损坏，电化学数据失真。
- 组装流程：在手套箱内部，依次放置负极极片、隔膜、金属钠对电极，滴加有机电解液，放置弹片、垫片，最后完成扣式电池封装。所有电池组件（钠片、隔膜、电解液、待装极片）都需要提前转入手套箱内部过渡仓，经过真空置换除水除氧后，才能进入主舱使用。
- 样品转移：组装完成的扣式电池，同样在手套箱内取出，密封后转移至电化学工作站测试。2.6 电化学性能测试组装好的扣式电池取出手套箱，放置电化学工作站进行恒流充放电测试、循环性能测试、倍率性能测试。测试参数设置 30 mA/g、300 mA/g 不同电流密度，完成首次容量测试、70 次小电流循环、5 圈活化后长循环 500 次等实验，评估硬碳负极的储钠容量、容量保持率、倍率稳定性。
三、当前研究进展
3.1 生物质硬碳领域整体研究进展
硬碳材料是钠离子电池负极研究热点，碳源分为化石基碳源与生物质碳源两大类。化石基硬碳性能稳定，但原料成本高、不可再生；生物质前驱体来源广泛，各类秸秆、果壳、木屑、农业废弃物都可以用来制备硬碳。近年来大量研究证实，生物质中的木质纤维素结构，高温热解后易形成硬碳特有的无序微晶结构，适合钠离子嵌入脱出。中药渣作为一类特殊生物质固废，有机质含量高，是新兴碳源。目前已有文献利用黄芪渣、板蓝根渣、甘草渣制备硬碳负极，但针对藿香正气液这类复方中成药药渣的硬碳研究案例相对较少。复方药渣组分复杂，多种药材混合，热解行为不同于单一生物质，本研究丰富了中药渣基硬碳的研究体系。
3.2 本研究取得的进展
第一，工艺层面，采用两步碳化法处理藿香正气液复方药渣，解决中药渣直接高温碳化容易大量释放挥发分、结构坍塌的问题，实现对硬碳孔结构和微晶结构有效调控，确定 1400 ℃为最优碳化温度。 第二，电化学性能层面，F-1400 样品兼具高首次容量与优异长循环稳定性。30 mA/g 下首次充电容量 300.2 mAh/g，70 圈容量保持率 97.3%；300 mA/g 大电流 500 次循环可逆容量 209.3 mAh/g，在中药渣基硬碳材料中处于较好水平。 第三，固废利用层面，打通了中成药药渣从生产副产物到储能负极材料的技术路径，证明中药复方药渣不只是废弃物，可作为高价值储能材料前驱体，为中医药固废治理提供新思路。
3.3 当前研究存在的局限
现阶段该研究属于实验室基础研究，仍存在产业化瓶颈。
- 原料稳定性：藿香正气液复方药渣批次成分会随药材产地、采收季节变化，造成硬碳前驱体组分波动，放大生产时材料电化学性能一致性难以保证。
- 制备能耗：硬碳高温碳化温度达到 1400 ℃，高温热处理能耗高，会提升材料生产成本，后续需要优化碳化工艺，降低热处理温度或者缩短保温时间。
- 规模化制备：实验室管式炉小批量制备，放大到吨级生产时，传热传质条件改变，硬碳微观结构难以复刻。
- 电池组装环节依赖手套箱：钠离子电池对水氧极其敏感，实验室扣电组装必须依靠手套箱，对设备稳定性、水氧控制精度要求高，是实验开展的基础硬件条件。
四、手套箱在本研究中的核心应用解析
本研究从材料制备到电化学测试，扣式钠离子电池组装环节是手套箱不可替代的应用场景，也是整个实验成败的关键，下面分点说明手套箱作用、技术要求以及应用要点。
4.1 钠离子电池体系对水氧敏感的底层原理
钠离子电池使用金属钠作为对电极，金属钠化学活性极强，常温下即可和氧气、水发生化学反应：金属钠遇水生成氢氧化钠、氢气，释放大量热量，极易引发燃烧；同时有机电解液遇水会发生水解反应，生成 HF 等腐蚀性副产物，腐蚀电极，破坏电极界面 SEI 膜，造成电池容量快速衰减、数据完全失真。只要体系内微量水、氧，就会严重干扰储钠性能测试结果，因此电池组装必须隔绝空气，惰性气氛手套箱是必备设备。
4.2 手套箱承担的核心工作
- 物料除水氧过渡：所有进入手套箱的物料（金属钠片、电解液、负极极片、隔膜、电池壳、垫片弹片），都需要放在手套箱过渡舱，经过多次真空 — 高纯氩气置换，除去物料表面吸附水和氧气，之后才能进入手套箱主工作腔。金属钠块保存、钠片裁切操作全程在箱内完成，不能暴露在空气中。
- 扣式电池装配操作：硬碳负极、隔膜、钠对电极堆叠、电解液滴加、电池封装全部在手套箱内部完成。操作人员在手套箱外，通过箱体橡胶手套伸入箱内操作，全程保持箱内高纯氩气氛。
- 样品临时存储：已经裁切好的钠片、开封电解液、待组装极片，可短期存放在手套箱内，防止接触空气氧化受潮。
- 成品电池取出：封装完成的扣式电池，在手套箱内确认密封完好后，再取出箱体，连接电化学工作站开展充放电测试。
4.3 手套箱关键性能指标需求（针对本研究）
- 气氛控制：箱内水含量、氧含量持续稳定维持在 0.1 ppm 以下。水氧数值偏高，钠片氧化，电解液变质，电池循环性能变差，实验数据重复性差。
- 净化系统：手套箱内置水氧净化柱，可循环吸附箱内 H₂O、O₂，净化柱可再生；配备真空过渡仓，满足实验物料频繁进出。
- 箱体配置：箱体预留足够操作空间，适配扣式电池组装；可选配内置天平、切片工具，方便箱内钠片裁切、称量；配备压力控制系统，维持箱内微正压，防止外界空气渗入。
- 安全性能：由于体系涉及金属钠与有机电解液，存在易燃风险，手套箱需要防爆设计，配备压力报警、水氧超标报警功能。
4.4 手套箱在该类科研实验中的常见问题
- 水氧指标漂移：长时间实验，物料反复进出，会带入微量水氧，净化柱吸附饱和后，水氧指标上升，需要及时再生净化材料，否则会造成批量电池失效。
- 操作污染：在箱内操作时，手上带入的油污、碎屑污染极片或者隔膜，造成电池微短路，循环测试异常。
- 过渡仓操作不当：过渡仓抽真空、氩气置换次数不足，物料带入空气，是实验室钠离子电池实验最常见失败原因。
本研究的电化学数据可靠性高度依赖手套箱。文中 F-1400 样品 70 次循环容量保持率 97.3%、500 次长循环稳定容量 209.3 mAh/g 这一组优异循环数据，前提就是扣电组装全过程在低水氧手套箱内完成，避免金属钠负极、电解液被空气破坏。如果没有手套箱提供惰性环境，无法完成钠离子扣式电池制备，就无法获取硬碳材料真实储钠电化学性能。
五、研究前景
5.1 固废资源化前景
我国中成药行业每年产生千万吨级中药渣废弃物，处置压力巨大。本研究建立的 “中药药渣→硬碳负极→钠离子电池” 路线，打通固废资源化新赛道。不仅仅局限于藿香正气液药渣，黄芩渣、金银花渣等各类中药渣都可以借鉴这套两步碳化工艺制备硬碳。未来中医药企业可以和储能材料企业联合，就地将药渣转化为储能碳材料，减少药渣外运处置成本，降低固废处理带来的环保压力，实现中医药产业循环经济。
5.2 钠离子电池产业化前景
钠离子电池产业正处于产业化落地阶段，硬碳负极是制约电池成本与性能的核心材料。生物质基硬碳依托廉价固废原料，可以降低硬碳生产成本。藿香正气液复方药渣原料易得，属于工业副产物，原料成本低。随着后续碳化工艺持续优化，降低高温能耗，中药渣硬碳有望应用于电网储能、低速电动车等钠离子电池场景。
5.3 技术拓展方向
- 原料改性：对药渣前驱体进行活化、杂原子掺杂改性，进一步优化硬碳孔结构，提升首次库伦效率。
- 工艺优化：优化两步碳化温度、保温时间、升温速率，降低热处理能耗，推进材料放大制备。
- 体系拓展：除了钠离子电池负极，中药渣碳材料还可研究用于超级电容器、钾离子电池电极。
- 装备配套：实验室研发阶段依靠手套箱完成扣电研发；未来中试、产业化阶段，需要配套连续式惰性气氛封装设备，手套箱技术经验可以为规模化产线惰性操作方案提供参考。
5.4 产业价值
这项研究兼具环保价值与能源材料价值。一方面解决中成药药渣处置难题，减少固废污染；另一方面开发低成本生物质硬碳前驱体，助力钠离子电池产业降本增效。而惰性气氛手套箱，是该类钠离子电池负极材料研发过程中不可或缺的核心实验装备，无论是高校科研院所还是储能材料企业实验室，开展硬碳储钠性能评价，都必须依靠手套箱完成扣式电池组装。作为手套箱生产厂商，针对钠离子电池研发场景，可以提供低水氧手套箱系统、定制化箱体、净化系统、安全配套方案，支撑中药渣基硬碳、各类储能电极材料的科研开发工作。
藿香正气液复方药渣制备钠离子电池硬碳负极材料研究，将中医药固废资源化与储能新材料两大领域交叉融合。该研究以药渣生物质碳源，采用两步碳化工艺，探究碳化温度对硬碳微观结构与电化学性能影响，获得 1400 ℃制备的高性能硬碳负极材料。该研究的电化学验证环节高度依赖惰性气氛手套箱，手套箱提供低水氧氩气环境，保障金属钠电极与电解液稳定，完成扣式钠离子电池组装，获取真实可靠的储钠性能数据。该研究目前处于实验室阶段，后续需要持续优化制备工艺、推进中试放大。长远来看，中药渣基硬碳技术路径，有望推动中医药固废绿色循环产业发展，同时为钠离子电池负极材料低成本化提供新方案，而惰性气氛手套箱装备将持续支撑这类新型储能材料的研发迭代。
中药生产过程会产生大量中药渣固体废弃物，藿香正气液复方药渣作为中成药工业化生产副产物，年产量大、传统填埋焚烧处置成本高、易造成环境污染，同时药渣本身富含木质素、纤维素等碳质前驱体，是制备硬碳负极材料极具潜力的生物质碳源。钠离子电池凭借钠资源储量丰富、成本低廉等优势，在大规模储能领域具备广阔应用前景，硬碳是目前钠离子电池商业化最核心的负极材料。本文以太极集团重庆涪陵制药厂藿香正气液复方药渣为原料制备钠离子电池硬碳负极的相关研究为基础，系统阐述该研究的基本内容、研究方法、现有研究进展、应用前景，并重点剖析在该材料电化学测试环节中手套箱的核心作用与应用场景，为中药渣基储能碳材料研发、电池组装与测试平台搭建提供参考。
一、研究基本内容
1.1 研究背景
中成药产业快速发展带来海量药渣固废。藿香正气液规模化生产后产生大量复方药渣，这类药渣含水率高、有机质丰富，传统处理方式以填埋、焚烧为主。一方面填埋会占用土地资源，渗滤液易污染土壤与地下水；另一方面焚烧会产生烟气污染物，且药渣中的碳资源被直接浪费，资源化利用率偏低，固废处置费用持续居高不下。如何将中药药渣变废为宝，实现固废减量化、无害化、高值化利用，是中医药产业链绿色升级亟待解决的难题。
与此同时，储能产业快速发展，锂离子电池受锂资源储量、价格波动限制，在大型电网储能、低速电动车等场景的应用受到制约。钠离子电池与锂电池工作原理相近，钠元素地壳储量丰富，开采成本更低，适配大规模储能场景。硬碳材料具有无序堆叠的微晶结构、较大层间距，能够容纳钠离子嵌入脱出，是钠离子电池首选负极材料。当前硬碳主流前驱体为酚醛树脂、沥青等化工原料，原材料成本较高，采用生物质固废作为碳源制备硬碳，能够大幅降低材料制备成本。
基于上述背景，本研究选取藿香正气液复方药渣作为生物质碳源，利用两步碳化工艺制备钠离子电池硬碳负极材料，重点探究碳化温度对硬碳微观形貌、晶体结构、孔结构与电化学储钠性能的调控规律，验证中药药渣制备高性能硬碳负极的可行性，建立中药固废资源化制备储能电极材料的技术路线。研究成果可推广至各类中药复方药渣，推动中医药产业固废绿色循环产业链延伸。
1.2 研究目标
- 以藿香正气液复方药渣为前驱体，采用两步碳化工艺制备钠离子电池硬碳负极材料，优化碳化温度工艺参数。
- 表征不同碳化温度下硬碳样品的比表面积、孔隙结构、碳层间距、微晶结构，建立碳化温度 — 微观结构 — 储钠电化学性能之间的关联。
- 筛选最优制备工艺：本研究中 1400 ℃碳化所得硬碳样品 F-1400，获得优异的储钠容量、循环稳定性与倍率性能。
- 验证中药渣基硬碳材料应用潜力，为中药固废高值化利用提供新方案。
1.3 核心研究结论
不同碳化温度会显著改变硬碳的微晶生长、孔道结构。温度过低时，药渣碳化不完全，碳材料杂原子残留多，无序碳结构发育不足；温度过高，硬碳微晶石墨化程度提升，层间距收缩，不利于钠离子嵌入，同时材料孔隙坍塌，有效储钠位点减少。1400 ℃制备的 F-1400 样品实现孔隙结构、比表面积、碳层间距与微晶结构的综合最优平衡。
电化学测试结果显示：F-1400 在 30 mA/g 电流密度下，首次充电比容量可达 300.2 mAh/g；70 次循环后容量保持率 97.3%。在 30 mA/g 活化 5 圈后切换至 300 mA/g 大电流密度，持续循环 500 次，可逆比容量稳定保持 209.3 mAh/g，材料具备优异长循环稳定性。该研究证明藿香正气液复方药渣可以作为低成本碳源制备高性能钠离子电池硬碳负极，该技术思路可迁移至其他种类中药渣。
二、研究方法
本研究整体分为原料预处理、两步高温碳化制备硬碳、材料物理表征、电池极片制备、扣式电池组装、电化学性能测试六大模块。其中电池组装与部分样品转移操作，必须在惰性气氛手套箱内部完成。
2.1 原料预处理
实验原料取自太极集团重庆涪陵制药厂有限公司藿香正气液复方药渣。首先对原始药渣进行清洗，去除药渣表面残留药液、无机盐杂质；随后烘干、粉碎、筛分，得到粉末状药渣前驱体，去除水分，保证后续碳化过程受热均匀。
2.2 两步碳化工艺制备硬碳
本研究采用两步碳化方案。第一步低温预碳化，在惰性保护气氛下对药渣粉末进行低温热解，将药渣中纤维素、半纤维素、木质素初步分解，脱除挥发分、含氧官能团，完成预炭化，得到预碳化碳中间体。预碳化可以防止高温碳化阶段样品大量发泡、结构崩塌，减少焦油生成。第二步高温碳化，将预碳化产物置于管式炉，在高纯氩气保护下，设置梯度碳化温度（包含 1400 ℃等实验组）进行高温热处理，调控硬碳微晶结构与孔结构；高温碳化结束后自然冷却，取出样品，研磨筛分，得到硬碳粉末。
2.3 材料微观结构表征
对不同温度制备的硬碳样品开展物化表征，分析温度对材料结构的影响：采用 X 射线衍射（XRD）测试碳材料层间距与微晶尺寸；采用拉曼光谱（Raman）分析碳材料无序化程度；采用氮气吸脱附测试材料比表面积与孔径分布；扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）观测材料微观形貌。通过上述表征手段对比不同碳化温度样品的结构差异，解释电化学性能变化机理。
2.4 电极片制备
将硬碳活性物质、导电剂、粘结剂按照一定质量比例混合，加入溶剂搅拌制备均匀浆料；将浆料涂布在铜集流体表面，经烘干、辊压、切片，得到硬碳负极极片。极片需要在真空烘箱充分烘干，彻底除去水分，水分会严重破坏钠离子电池体系，造成电池失效。
2.5 扣式钠离子电池组装
扣式电池组装全程需要在水氧含量严格控制的惰性气氛手套箱内完成。
- 手套箱气氛环境：箱内填充高纯氩气，H₂O、O₂含量控制在 0.1 ppm 以下。钠金属极易与水、氧气发生剧烈反应，电解液也对水氧高度敏感，一旦接触空气，钠片氧化、电解液水解，电池会发生不可逆损坏，电化学数据失真。
- 组装流程：在手套箱内部，依次放置负极极片、隔膜、金属钠对电极，滴加有机电解液，放置弹片、垫片，最后完成扣式电池封装。所有电池组件（钠片、隔膜、电解液、待装极片）都需要提前转入手套箱内部过渡仓，经过真空置换除水除氧后，才能进入主舱使用。
- 样品转移：组装完成的扣式电池，同样在手套箱内取出，密封后转移至电化学工作站测试。2.6 电化学性能测试组装好的扣式电池取出手套箱，放置电化学工作站进行恒流充放电测试、循环性能测试、倍率性能测试。测试参数设置 30 mA/g、300 mA/g 不同电流密度，完成首次容量测试、70 次小电流循环、5 圈活化后长循环 500 次等实验，评估硬碳负极的储钠容量、容量保持率、倍率稳定性。
三、当前研究进展
3.1 生物质硬碳领域整体研究进展
硬碳材料是钠离子电池负极研究热点，碳源分为化石基碳源与生物质碳源两大类。化石基硬碳性能稳定，但原料成本高、不可再生；生物质前驱体来源广泛，各类秸秆、果壳、木屑、农业废弃物都可以用来制备硬碳。近年来大量研究证实，生物质中的木质纤维素结构，高温热解后易形成硬碳特有的无序微晶结构，适合钠离子嵌入脱出。中药渣作为一类特殊生物质固废，有机质含量高，是新兴碳源。目前已有文献利用黄芪渣、板蓝根渣、甘草渣制备硬碳负极，但针对藿香正气液这类复方中成药药渣的硬碳研究案例相对较少。复方药渣组分复杂，多种药材混合，热解行为不同于单一生物质，本研究丰富了中药渣基硬碳的研究体系。
3.2 本研究取得的进展
第一，工艺层面，采用两步碳化法处理藿香正气液复方药渣，解决中药渣直接高温碳化容易大量释放挥发分、结构坍塌的问题，实现对硬碳孔结构和微晶结构有效调控，确定 1400 ℃为最优碳化温度。 第二，电化学性能层面，F-1400 样品兼具高首次容量与优异长循环稳定性。30 mA/g 下首次充电容量 300.2 mAh/g，70 圈容量保持率 97.3%；300 mA/g 大电流 500 次循环可逆容量 209.3 mAh/g，在中药渣基硬碳材料中处于较好水平。 第三，固废利用层面，打通了中成药药渣从生产副产物到储能负极材料的技术路径，证明中药复方药渣不只是废弃物，可作为高价值储能材料前驱体，为中医药固废治理提供新思路。
3.3 当前研究存在的局限
现阶段该研究属于实验室基础研究，仍存在产业化瓶颈。
- 原料稳定性：藿香正气液复方药渣批次成分会随药材产地、采收季节变化，造成硬碳前驱体组分波动，放大生产时材料电化学性能一致性难以保证。
- 制备能耗：硬碳高温碳化温度达到 1400 ℃，高温热处理能耗高，会提升材料生产成本，后续需要优化碳化工艺，降低热处理温度或者缩短保温时间。
- 规模化制备：实验室管式炉小批量制备，放大到吨级生产时，传热传质条件改变，硬碳微观结构难以复刻。
- 电池组装环节依赖手套箱：钠离子电池对水氧极其敏感，实验室扣电组装必须依靠手套箱，对设备稳定性、水氧控制精度要求高，是实验开展的基础硬件条件。
四、手套箱在本研究中的核心应用解析
本研究从材料制备到电化学测试，扣式钠离子电池组装环节是手套箱不可替代的应用场景，也是整个实验成败的关键，下面分点说明手套箱作用、技术要求以及应用要点。
4.1 钠离子电池体系对水氧敏感的底层原理
钠离子电池使用金属钠作为对电极，金属钠化学活性极强，常温下即可和氧气、水发生化学反应：金属钠遇水生成氢氧化钠、氢气，释放大量热量，极易引发燃烧；同时有机电解液遇水会发生水解反应，生成 HF 等腐蚀性副产物，腐蚀电极，破坏电极界面 SEI 膜，造成电池容量快速衰减、数据完全失真。只要体系内微量水、氧，就会严重干扰储钠性能测试结果，因此电池组装必须隔绝空气，惰性气氛手套箱是必备设备。
4.2 手套箱承担的核心工作
- 物料除水氧过渡：所有进入手套箱的物料（金属钠片、电解液、负极极片、隔膜、电池壳、垫片弹片），都需要放在手套箱过渡舱，经过多次真空 — 高纯氩气置换，除去物料表面吸附水和氧气，之后才能进入手套箱主工作腔。金属钠块保存、钠片裁切操作全程在箱内完成，不能暴露在空气中。
- 扣式电池装配操作：硬碳负极、隔膜、钠对电极堆叠、电解液滴加、电池封装全部在手套箱内部完成。操作人员在手套箱外，通过箱体橡胶手套伸入箱内操作，全程保持箱内高纯氩气氛。
- 样品临时存储：已经裁切好的钠片、开封电解液、待组装极片，可短期存放在手套箱内，防止接触空气氧化受潮。
- 成品电池取出：封装完成的扣式电池，在手套箱内确认密封完好后，再取出箱体，连接电化学工作站开展充放电测试。
4.3 手套箱关键性能指标需求（针对本研究）
- 气氛控制：箱内水含量、氧含量持续稳定维持在 0.1 ppm 以下。水氧数值偏高，钠片氧化，电解液变质，电池循环性能变差，实验数据重复性差。
- 净化系统：手套箱内置水氧净化柱，可循环吸附箱内 H₂O、O₂，净化柱可再生；配备真空过渡仓，满足实验物料频繁进出。
- 箱体配置：箱体预留足够操作空间，适配扣式电池组装；可选配内置天平、切片工具，方便箱内钠片裁切、称量；配备压力控制系统，维持箱内微正压，防止外界空气渗入。
- 安全性能：由于体系涉及金属钠与有机电解液，存在易燃风险，手套箱需要防爆设计，配备压力报警、水氧超标报警功能。
4.4 手套箱在该类科研实验中的常见问题
- 水氧指标漂移：长时间实验，物料反复进出，会带入微量水氧，净化柱吸附饱和后，水氧指标上升，需要及时再生净化材料，否则会造成批量电池失效。
- 操作污染：在箱内操作时，手上带入的油污、碎屑污染极片或者隔膜，造成电池微短路，循环测试异常。
- 过渡仓操作不当：过渡仓抽真空、氩气置换次数不足，物料带入空气，是实验室钠离子电池实验最常见失败原因。
本研究的电化学数据可靠性高度依赖手套箱。文中 F-1400 样品 70 次循环容量保持率 97.3%、500 次长循环稳定容量 209.3 mAh/g 这一组优异循环数据，前提就是扣电组装全过程在低水氧手套箱内完成，避免金属钠负极、电解液被空气破坏。如果没有手套箱提供惰性环境，无法完成钠离子扣式电池制备，就无法获取硬碳材料真实储钠电化学性能。
五、研究前景
5.1 固废资源化前景
我国中成药行业每年产生千万吨级中药渣废弃物，处置压力巨大。本研究建立的 “中药药渣→硬碳负极→钠离子电池” 路线，打通固废资源化新赛道。不仅仅局限于藿香正气液药渣，黄芩渣、金银花渣等各类中药渣都可以借鉴这套两步碳化工艺制备硬碳。未来中医药企业可以和储能材料企业联合，就地将药渣转化为储能碳材料，减少药渣外运处置成本，降低固废处理带来的环保压力，实现中医药产业循环经济。
5.2 钠离子电池产业化前景
钠离子电池产业正处于产业化落地阶段，硬碳负极是制约电池成本与性能的核心材料。生物质基硬碳依托廉价固废原料，可以降低硬碳生产成本。藿香正气液复方药渣原料易得，属于工业副产物，原料成本低。随着后续碳化工艺持续优化，降低高温能耗，中药渣硬碳有望应用于电网储能、低速电动车等钠离子电池场景。
5.3 技术拓展方向
- 原料改性：对药渣前驱体进行活化、杂原子掺杂改性，进一步优化硬碳孔结构，提升首次库伦效率。
- 工艺优化：优化两步碳化温度、保温时间、升温速率，降低热处理能耗，推进材料放大制备。
- 体系拓展：除了钠离子电池负极，中药渣碳材料还可研究用于超级电容器、钾离子电池电极。
- 装备配套：实验室研发阶段依靠手套箱完成扣电研发；未来中试、产业化阶段，需要配套连续式惰性气氛封装设备，手套箱技术经验可以为规模化产线惰性操作方案提供参考。
5.4 产业价值
这项研究兼具环保价值与能源材料价值。一方面解决中成药药渣处置难题，减少固废污染；另一方面开发低成本生物质硬碳前驱体，助力钠离子电池产业降本增效。而惰性气氛手套箱，是该类钠离子电池负极材料研发过程中不可或缺的核心实验装备，无论是高校科研院所还是储能材料企业实验室，开展硬碳储钠性能评价，都必须依靠手套箱完成扣式电池组装。作为手套箱生产厂商，针对钠离子电池研发场景，可以提供低水氧手套箱系统、定制化箱体、净化系统、安全配套方案，支撑中药渣基硬碳、各类储能电极材料的科研开发工作。
藿香正气液复方药渣制备钠离子电池硬碳负极材料研究，将中医药固废资源化与储能新材料两大领域交叉融合。该研究以药渣生物质碳源，采用两步碳化工艺，探究碳化温度对硬碳微观结构与电化学性能影响，获得 1400 ℃制备的高性能硬碳负极材料。该研究的电化学验证环节高度依赖惰性气氛手套箱，手套箱提供低水氧氩气环境，保障金属钠电极与电解液稳定，完成扣式钠离子电池组装，获取真实可靠的储钠性能数据。该研究目前处于实验室阶段，后续需要持续优化制备工艺、推进中试放大。长远来看，中药渣基硬碳技术路径，有望推动中医药固废绿色循环产业发展，同时为钠离子电池负极材料低成本化提供新方案，而惰性气氛手套箱装备将持续支撑这类新型储能材料的研发迭代。
- 上一篇：无
- 下一篇：化学预钠化改性硬碳负极储钠性能研究及手套箱配套应用分析
