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锂离子电池发展如逆水行舟，碳基材料能否成为突破快充困境的 “诺亚方舟”？

文章来源：贤集网更新时间：2024-11-04 15:33:19

在当今科技飞速发展的时代，储能技术对于推动便携式设备、电动汽车以及电网储能等众多领域的进步起着至关重要的作用。其中，锂离子电池（LIB）作为电化学储能技术的佼佼者，近年来已成为上述领域的首选。然而，其发展并非一帆风顺，快速充电技术的缺乏在一定程度上限制了锂离子电池的进一步拓展。

锂离子电池与碳基材料的研究现状

锂离子电池的发展瓶颈，LIB借助可逆电化学反应实现电能与化学能的相互转换与储存。但要在其中获得高充电速率性能，就必须深入了解锂离子和电子在整个电池系统内的传输路径，以及如何在各个限速步骤中提升扩散动力学。目前，尽管LIB在诸多领域广泛应用，可快速充电技术的不足仍是亟待解决的关键问题。

碳基材料的优势与研究进展，碳基材料因其自身丰富的资源、低廉的成本、无毒性以及电化学多样性等诸多优点，受到了科研人员的广泛关注，并被深入研究用作快速充电锂离子电池的电极材料。陕西理工大学张丹教授团队、青岛大学曹明惠等研究人员在《Carbon》期刊发表相关论文，综述了碳基材料作为快速充电锂离子电池电极材料的最新研究进展。

他们先是利用石墨基电池总结了LIB快速充电的机理，接着详细介绍了碳负极（涵盖石墨改性与复合、石墨烯基复合材料、碳纳米管基材料和其他碳基材料）以及碳阴极在快速充电锂离子电池中的研究情况，着重强调了电极结构与快速充电性能之间的紧密关系，并对碳基材料在快速充电LIB中的未来发展进行了展望。

自1991年索尼推出首个以石墨作为锂离子插层阳极的LIB原型以来，石墨一直是LIB商用阳极的常用材料，且研究人员对其进行了持续深入的优化。与此同时，随着科技的发展，诸如1D碳纳米管（CNT）和2D石墨烯等大量碳纳米材料被发现，因其独特性能，它们作为快速充电锂离子电池的电极材料也引发了广泛的研究热潮。

快速充电锂离子电池面临的挑战与应对策略

电极材料相关挑战与解决途径：1.石墨基材料方面：虽然已提出多种可提升LIB快速充电能力的替代电极材料，但石墨作为LIB市场的主导材料，其稳定性、可能的降解机制、制造难易度和成本等方面仍需进一步深入研究。开发可持续、高效率、低成本、大规模的石墨活化技术，实现快速充电LIB负极材料的制备，是当前的重要任务之一。尽管石墨阳极对锂电镀敏感，但因其低成本、广泛可用性和成熟技术，在可预见未来仍可能占据重要地位。2.无序碳基材料方面：无序碳基材料虽原料来源广泛、易于加工，但由于电极/固体电解质界面存在不稳定性和接触不良等问题，很少用于快速充电锂离子电池。在阳极，电解质界面热力学不稳定，离子导电率低，且SEI膜存在诸多问题；在阴极，存在起始层，电极与电解质固 - 固接触不佳。因此，需进一步探讨循环过程中的体积变化，以深入了解其对快速充电性能的影响，从而为基于无序碳基材料构建高性能快速充电锂离子电池提供依据。3.混合材料方面：将石墨和硬碳简单混合，可结合石墨的高容量密度、高库仑效率以及硬碳的高倍率性能，有望实现同时具备高能量密度和高效快速充电的LIB技术，这或许是解决LIB快速充电问题最有效的方法，也是碳基材料LIB快速充电产业化的可行途径。

表征技术与界面过程研究的重要性：1.先进表征技术应用：深入理解石墨电极的电化学行为和界面化学性质对于指导快速充电材料的设计至关重要，而准确的表征则是设计快速充电材料的基础。在传统双极电池组件中，准确分析石墨电极的电化学行为存在挑战，易导致对电化学信号的误解。因此，应广泛使用三电极装置获取准确的界面信息，如通过SEI分离各种极化和确定活化能。此外，由于石墨阳极中SEI的形成方法难以捉摸且化学特性敏感，人们对其知之甚少，先进表征技术的发展有望为解决这一界面问题提供新线索。2.界面过程研究：对于快速充电过程中的界面过程，如锂离子脱溶、锂离子在SEI中的扩散以及锂离子在石墨中的迁移等，有必要获得更多基本见解。锂离子的溶解/解溶解会影响SEI性能进而影响电池寿命，可借助更多原位技术，如原位拉曼光谱、原位核磁共振波谱、原位XPS以及原位和二次离子质谱等，研究不同电解质溶解鞘和反溶剂过程系统，以及SEI的形成和化学特性。同时，理论计算也有助于揭示锂离子通过SEI的传输机制，通过精心设计实验与理论计算相结合，有望为明确充电速率决定步骤开辟新途径。

快速充电技术商业化的考量因素：快速充电技术的商业化需综合考虑诸多因素，只有同时满足高功率、高安全性、低成本、长寿命和环保等要求，才能实现新型快速充电技术的成功应用。例如，超浓缩电解质虽有优点但成本过高，不适合大规模应用；而稀释型高浓度电解质克服了其部分缺点，显示出替代传统电解质的巨大潜力。此外，在开发实用技术时还需考虑放大效应，实验室测试多基于毫安级容量的纽扣电池，而实际应用需基于Ah级容量的大型电池类型，同时要兼顾大规模生产新型电池材料的可行性。

碳基材料在其他储能领域的创新突破

华南农业大学的研究成果：华南农业大学材料与能源学院教授梁业如团队在碳基储能材料研究中取得重要进展。在应对设计合成兼具高孔隙率和高密度的炭材料这一领域挑战时，他们提出纳米限域炭化策略，成功制备出高密度多孔炭材料，实现了高质量和体积容量锌离子存储。

具体而言，团队利用溶胶 - 凝胶反应将碳源（葡萄糖和尿素）封装到二氧化硅纳米网络中，通过美拉德反应产物在二氧化硅纳米网络中的限域并原位炭化形成致密炭材料。该材料比表面积和密度分别为591 m²/g和0.78 g/cm³，用作锌离子混合超级电容器正极时，其质量比电容和体积比电容分别高达453 F/g和353 F/cm³，优于同类先进碳基正极材料。通过对储锌机理的研究，还发现最佳储锌孔尺寸范围为1.2 - 5.5 nm，大于5.5 nm的孔尺寸对离子的快速传输至关重要。

与此同时，针对碳基电极/固态电解质界面因相互作用力弱导致电化学性能不理想的问题，该团队与松山湖材料实验室研究员刘利峰团队合作，提出共价键合电极/电解质界面的创新思路，成功开发了一种可实现固态锂电池电化学与机械性能双重增强的策略。通过设计合成具有高离子电导率的富氧遥爪聚合物电解质，利用其活性端基与改性电极表面化学官能团反应形成强共价键，降低了电极/固态电解质界面电阻，提高了固体锂电池的电化学稳定性和机械强度，为固态电池在可穿戴设备、柔性显示屏以及便携式电子设备中的应用提供了可能。

美国橡树岭国家实验室的研究成果：在追求让电容器储存更多电能的道路上，科学家们不断探索创新。美国橡树岭国家实验室研究人员在机器学习的指导下，在炭基超级电容材料设计方面取得了突破性进展。

商用超级电容通常由浸泡在电解液中的阳极和阴极两个电极构成，其通过在电解液和炭之间的界面上形成双电层来可逆地分离电荷，而制造超级电容电极的首选材料是多孔炭。

研究人员利用机器学习建立人工神经网络模型并进行训练，旨在开发一种用于能量输送的“梦想材料”。模型预测炭与氧和氮掺杂时，炭电极的最高电容将达到每克570法拉。基于此，他们设计了一种非常多孔的掺杂炭，合成了富氧炭框架这一新材料用于储存和传输电荷，其合成材料的电容为每克611法拉，是典型商业材料的4倍，且材料表面积是有记录以来最高的炭基材料之一，每克重量的表面积超过4000平方米。这项研究不仅创造了炭基超级电容的储能新纪录，将其推向新水平，还有可能加速超级电容用炭材料的开发和优化，为改善再生制动系统、电力电子设备和辅助电源等提供了更优质的储能解决方案。

总结与展望

综上所述，碳基材料在储能领域的研究与应用正不断取得新的突破与进展。从锂离子电池快速充电技术的研究，到应对其面临的诸多挑战所提出的各种策略，再到在锌离子存储、固态锂电池以及超级电容等其他储能领域的创新成果，都充分展示了碳基材料的巨大潜力。

然而，我们也应看到，尽管在各个方面都取得了一定成绩，但要实现碳基材料在储能领域的广泛应用和性能的进一步提升，仍有许多工作要做。例如，在锂离子电池快速充电方面，如何更好地解决电极材料的稳定性、界面问题以及实现商业化应用等；在其他储能领域，如何进一步优化材料性能、降低成本并扩大应用范围等。

未来，随着科技的不断进步，相信通过科研人员的不懈努力，碳基材料在储能领域必将发挥更为重要的作用，为推动全球能源存储技术的发展做出更大贡献。我们期待着更多创新成果的涌现，以满足日益增长的能源存储需求，助力各类电子设备、电动汽车以及电网储能等领域的持续发展。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_560625.html
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