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鋰離子電池發(fā)展如逆水行舟，碳基材料能否成為突破快充困境的 “諾亞方舟”？

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-11-04 15:33:19

在當今科技飛速發(fā)展的時代，儲能技術(shù)對于推動便攜式設(shè)備、電動汽車以及電網(wǎng)儲能等眾多領(lǐng)域的進步起著至關(guān)重要的作用。其中，鋰離子電池（LIB）作為電化學儲能技術(shù)的佼佼者，近年來已成為上述領(lǐng)域的首選。然而，其發(fā)展并非一帆風順，快速充電技術(shù)的缺乏在一定程度上限制了鋰離子電池的進一步拓展。

鋰離子電池與碳基材料的研究現(xiàn)狀

鋰離子電池的發(fā)展瓶頸，LIB借助可逆電化學反應(yīng)實現(xiàn)電能與化學能的相互轉(zhuǎn)換與儲存。但要在其中獲得高充電速率性能，就必須深入了解鋰離子和電子在整個電池系統(tǒng)內(nèi)的傳輸路徑，以及如何在各個限速步驟中提升擴散動力學。目前，盡管LIB在諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，可快速充電技術(shù)的不足仍是亟待解決的關(guān)鍵問題。

碳基材料的優(yōu)勢與研究進展，碳基材料因其自身豐富的資源、低廉的成本、無毒性以及電化學多樣性等諸多優(yōu)點，受到了科研人員的廣泛關(guān)注，并被深入研究用作快速充電鋰離子電池的電極材料。陜西理工大學張丹教授團隊、青島大學曹明惠等研究人員在《Carbon》期刊發(fā)表相關(guān)論文，綜述了碳基材料作為快速充電鋰離子電池電極材料的最新研究進展。

他們先是利用石墨基電池總結(jié)了LIB快速充電的機理，接著詳細介紹了碳負極（涵蓋石墨改性與復合、石墨烯基復合材料、碳納米管基材料和其他碳基材料）以及碳陰極在快速充電鋰離子電池中的研究情況，著重強調(diào)了電極結(jié)構(gòu)與快速充電性能之間的緊密關(guān)系，并對碳基材料在快速充電LIB中的未來發(fā)展進行了展望。

自1991年索尼推出首個以石墨作為鋰離子插層陽極的LIB原型以來，石墨一直是LIB商用陽極的常用材料，且研究人員對其進行了持續(xù)深入的優(yōu)化。與此同時，隨著科技的發(fā)展，諸如1D碳納米管（CNT）和2D石墨烯等大量碳納米材料被發(fā)現(xiàn)，因其獨特性能，它們作為快速充電鋰離子電池的電極材料也引發(fā)了廣泛的研究熱潮。

快速充電鋰離子電池面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略

電極材料相關(guān)挑戰(zhàn)與解決途徑：1.石墨基材料方面：雖然已提出多種可提升LIB快速充電能力的替代電極材料，但石墨作為LIB市場的主導材料，其穩(wěn)定性、可能的降解機制、制造難易度和成本等方面仍需進一步深入研究。開發(fā)可持續(xù)、高效率、低成本、大規(guī)模的石墨活化技術(shù)，實現(xiàn)快速充電LIB負極材料的制備，是當前的重要任務(wù)之一。盡管石墨陽極對鋰電鍍敏感，但因其低成本、廣泛可用性和成熟技術(shù)，在可預見未來仍可能占據(jù)重要地位。2.無序碳基材料方面：無序碳基材料雖原料來源廣泛、易于加工，但由于電極/固體電解質(zhì)界面存在不穩(wěn)定性和接觸不良等問題，很少用于快速充電鋰離子電池。在陽極，電解質(zhì)界面熱力學不穩(wěn)定，離子導電率低，且SEI膜存在諸多問題；在陰極，存在起始層，電極與電解質(zhì)固 - 固接觸不佳。因此，需進一步探討循環(huán)過程中的體積變化，以深入了解其對快速充電性能的影響，從而為基于無序碳基材料構(gòu)建高性能快速充電鋰離子電池提供依據(jù)。3.混合材料方面：將石墨和硬碳簡單混合，可結(jié)合石墨的高容量密度、高庫侖效率以及硬碳的高倍率性能，有望實現(xiàn)同時具備高能量密度和高效快速充電的LIB技術(shù)，這或許是解決LIB快速充電問題最有效的方法，也是碳基材料LIB快速充電產(chǎn)業(yè)化的可行途徑。

表征技術(shù)與界面過程研究的重要性：1.先進表征技術(shù)應(yīng)用：深入理解石墨電極的電化學行為和界面化學性質(zhì)對于指導快速充電材料的設(shè)計至關(guān)重要，而準確的表征則是設(shè)計快速充電材料的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)雙極電池組件中，準確分析石墨電極的電化學行為存在挑戰(zhàn)，易導致對電化學信號的誤解。因此，應(yīng)廣泛使用三電極裝置獲取準確的界面信息，如通過SEI分離各種極化和確定活化能。此外，由于石墨陽極中SEI的形成方法難以捉摸且化學特性敏感，人們對其知之甚少，先進表征技術(shù)的發(fā)展有望為解決這一界面問題提供新線索。2.界面過程研究：對于快速充電過程中的界面過程，如鋰離子脫溶、鋰離子在SEI中的擴散以及鋰離子在石墨中的遷移等，有必要獲得更多基本見解。鋰離子的溶解/解溶解會影響SEI性能進而影響電池壽命，可借助更多原位技術(shù)，如原位拉曼光譜、原位核磁共振波譜、原位XPS以及原位和二次離子質(zhì)譜等，研究不同電解質(zhì)溶解鞘和反溶劑過程系統(tǒng)，以及SEI的形成和化學特性。同時，理論計算也有助于揭示鋰離子通過SEI的傳輸機制，通過精心設(shè)計實驗與理論計算相結(jié)合，有望為明確充電速率決定步驟開辟新途徑。

快速充電技術(shù)商業(yè)化的考量因素：快速充電技術(shù)的商業(yè)化需綜合考慮諸多因素，只有同時滿足高功率、高安全性、低成本、長壽命和環(huán)保等要求，才能實現(xiàn)新型快速充電技術(shù)的成功應(yīng)用。例如，超濃縮電解質(zhì)雖有優(yōu)點但成本過高，不適合大規(guī)模應(yīng)用；而稀釋型高濃度電解質(zhì)克服了其部分缺點，顯示出替代傳統(tǒng)電解質(zhì)的巨大潛力。此外，在開發(fā)實用技術(shù)時還需考慮放大效應(yīng)，實驗室測試多基于毫安級容量的紐扣電池，而實際應(yīng)用需基于Ah級容量的大型電池類型，同時要兼顧大規(guī)模生產(chǎn)新型電池材料的可行性。

碳基材料在其他儲能領(lǐng)域的創(chuàng)新突破

華南農(nóng)業(yè)大學的研究成果：華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院教授梁業(yè)如團隊在碳基儲能材料研究中取得重要進展。在應(yīng)對設(shè)計合成兼具高孔隙率和高密度的炭材料這一領(lǐng)域挑戰(zhàn)時，他們提出納米限域炭化策略，成功制備出高密度多孔炭材料，實現(xiàn)了高質(zhì)量和體積容量鋅離子存儲。

具體而言，團隊利用溶膠 - 凝膠反應(yīng)將碳源（葡萄糖和尿素）封裝到二氧化硅納米網(wǎng)絡(luò)中，通過美拉德反應(yīng)產(chǎn)物在二氧化硅納米網(wǎng)絡(luò)中的限域并原位炭化形成致密炭材料。該材料比表面積和密度分別為591 m²/g和0.78 g/cm³，用作鋅離子混合超級電容器正極時，其質(zhì)量比電容和體積比電容分別高達453 F/g和353 F/cm³，優(yōu)于同類先進碳基正極材料。通過對儲鋅機理的研究，還發(fā)現(xiàn)最佳儲鋅孔尺寸范圍為1.2 - 5.5 nm，大于5.5 nm的孔尺寸對離子的快速傳輸至關(guān)重要。

與此同時，針對碳基電極/固態(tài)電解質(zhì)界面因相互作用力弱導致電化學性能不理想的問題，該團隊與松山湖材料實驗室研究員劉利峰團隊合作，提出共價鍵合電極/電解質(zhì)界面的創(chuàng)新思路，成功開發(fā)了一種可實現(xiàn)固態(tài)鋰電池電化學與機械性能雙重增強的策略。通過設(shè)計合成具有高離子電導率的富氧遙爪聚合物電解質(zhì)，利用其活性端基與改性電極表面化學官能團反應(yīng)形成強共價鍵，降低了電極/固態(tài)電解質(zhì)界面電阻，提高了固體鋰電池的電化學穩(wěn)定性和機械強度，為固態(tài)電池在可穿戴設(shè)備、柔性顯示屏以及便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用提供了可能。

美國橡樹嶺國家實驗室的研究成果：在追求讓電容器儲存更多電能的道路上，科學家們不斷探索創(chuàng)新。美國橡樹嶺國家實驗室研究人員在機器學習的指導下，在炭基超級電容材料設(shè)計方面取得了突破性進展。

商用超級電容通常由浸泡在電解液中的陽極和陰極兩個電極構(gòu)成，其通過在電解液和炭之間的界面上形成雙電層來可逆地分離電荷，而制造超級電容電極的首選材料是多孔炭。

研究人員利用機器學習建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并進行訓練，旨在開發(fā)一種用于能量輸送的“夢想材料”。模型預測炭與氧和氮摻雜時，炭電極的最高電容將達到每克570法拉。基于此，他們設(shè)計了一種非常多孔的摻雜炭，合成了富氧炭框架這一新材料用于儲存和傳輸電荷，其合成材料的電容為每克611法拉，是典型商業(yè)材料的4倍，且材料表面積是有記錄以來最高的炭基材料之一，每克重量的表面積超過4000平方米。這項研究不僅創(chuàng)造了炭基超級電容的儲能新紀錄，將其推向新水平，還有可能加速超級電容用炭材料的開發(fā)和優(yōu)化，為改善再生制動系統(tǒng)、電力電子設(shè)備和輔助電源等提供了更優(yōu)質(zhì)的儲能解決方案。

總結(jié)與展望

綜上所述，碳基材料在儲能領(lǐng)域的研究與應(yīng)用正不斷取得新的突破與進展。從鋰離子電池快速充電技術(shù)的研究，到應(yīng)對其面臨的諸多挑戰(zhàn)所提出的各種策略，再到在鋅離子存儲、固態(tài)鋰電池以及超級電容等其他儲能領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，都充分展示了碳基材料的巨大潛力。

然而，我們也應(yīng)看到，盡管在各個方面都取得了一定成績，但要實現(xiàn)碳基材料在儲能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和性能的進一步提升，仍有許多工作要做。例如，在鋰離子電池快速充電方面，如何更好地解決電極材料的穩(wěn)定性、界面問題以及實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用等；在其他儲能領(lǐng)域，如何進一步優(yōu)化材料性能、降低成本并擴大應(yīng)用范圍等。

未來，隨著科技的不斷進步，相信通過科研人員的不懈努力，碳基材料在儲能領(lǐng)域必將發(fā)揮更為重要的作用，為推動全球能源存儲技術(shù)的發(fā)展做出更大貢獻。我們期待著更多創(chuàng)新成果的涌現(xiàn)，以滿足日益增長的能源存儲需求，助力各類電子設(shè)備、電動汽車以及電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。

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