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鋰離子電池發展如逆水行舟，碳基材料能否成為突破快充困境的 “諾亞方舟”？

文章來源：賢集網更新時間：2024-11-04 15:33:19

在當今科技飛速發展的時代，儲能技術對于推動便攜式設備、電動汽車以及電網儲能等眾多領域的進步起著至關重要的作用。其中，鋰離子電池（LIB）作為電化學儲能技術的佼佼者，近年來已成為上述領域的首選。然而，其發展并非一帆風順，快速充電技術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狀

鋰離子電池的發展瓶頸，LIB借助可逆電化學反應實現電能與化學能的相互轉換與儲存。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內的傳輸路徑，以及如何在各個限速步驟中提升擴散動力學。目前，盡管LIB在諸多領域廣泛應用，可快速充電技術的不足仍是亟待解決的關鍵問題。

碳基材料的優勢與研究進展，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點，受到了科研人員的廣泛關注，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》期刊發表相關論文，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，著重強調了電極結構與快速充電性能之間的緊密關系，并對碳基材料在快速充電LIB中的未來發展進行了展望。

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深入的優化。與此同時，隨著科技的發展，諸如1D碳納米管（CNT）和2D石墨烯等大量碳納米材料被發現，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了廣泛的研究熱潮。

快速充電鋰離子電池面臨的挑戰與應對策略

電極材料相關挑戰與解決途徑：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。開發可持續、高效率、低成本、大規模的石墨活化技術，實現快速充電LIB負極材料的制備，是當前的重要任務之一。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，在可預見未來仍可能占據重要地位。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/固體電解質界面存在不穩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，電解質界面熱力學不穩定，離子導電率低，且SEI膜存在諸多問題；在陰極，存在起始層，電極與電解質固 - 固接觸不佳。因此，需進一步探討循環過程中的體積變化，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建高性能快速充電鋰離子電池提供依據。3.混合材料方面：將石墨和硬碳簡單混合，可結合石墨的高容量密度、高庫侖效率以及硬碳的高倍率性能，有望實現同時具備高能量密度和高效快速充電的LIB技術，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快速充電產業化的可行途徑。

表征技術與界面過程研究的重要性：1.先進表征技術應用：深入理解石墨電極的電化學行為和界面化學性質對于指導快速充電材料的設計至關重要，而準確的表征則是設計快速充電材料的基礎。在傳統雙極電池組件中，準確分析石墨電極的電化學行為存在挑戰，易導致對電化學信號的誤解。因此，應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，先進表征技術的發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，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譜等，研究不同電解質溶解鞘和反溶劑過程系統，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，通過精心設計實驗與理論計算相結合，有望為明確充電速率決定步驟開辟新途徑。

快速充電技術商業化的考量因素：快速充電技術的商業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、長壽命和環保等要求，才能實現新型快速充電技術的成功應用。例如，超濃縮電解質雖有優點但成本過高，不適合大規模應用；而稀釋型高濃度電解質克服了其部分缺點，顯示出替代傳統電解質的巨大潛力。此外，在開發實用技術時還需考慮放大效應，實驗室測試多基于毫安級容量的紐扣電池，而實際應用需基于Ah級容量的大型電池類型，同時要兼顧大規模生產新型電池材料的可行性。

碳基材料在其他儲能領域的創新突破

華南農業大學的研究成果：華南農業大學材料與能源學院教授梁業如團隊在碳基儲能材料研究中取得重要進展。在應對設計合成兼具高孔隙率和高密度的炭材料這一領域挑戰時，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，實現了高質量和體積容量鋅離子存儲。

具體而言，團隊利用溶膠 - 凝膠反應將碳源（葡萄糖和尿素）封裝到二氧化硅納米網絡中，通過美拉德反應產物在二氧化硅納米網絡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，其質量比電容和體積比電容分別高達453 F/g和353 F/cm³，優于同類先進碳基正極材料。通過對儲鋅機理的研究，還發現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重要。

與此同時，針對碳基電極/固態電解質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/電解質界面的創新思路，成功開發了一種可實現固態鋰電池電化學與機械性能雙重增強的策略。通過設計合成具有高離子電導率的富氧遙爪聚合物電解質，利用其活性端基與改性電極表面化學官能團反應形成強共價鍵，降低了電極/固態電解質界面電阻，提高了固體鋰電池的電化學穩定性和機械強度，為固態電池在可穿戴設備、柔性顯示屏以及便攜式電子設備中的應用提供了可能。

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網絡模型并進行訓練，旨在開發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和優化，為改善再生制動系統、電力電子設備和輔助電源等提供了更優質的儲能解決方案。

總結與展望

綜上所述，碳基材料在儲能領域的研究與應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的研究，到應對其面臨的諸多挑戰所提出的各種策略，再到在鋅離子存儲、固態鋰電池以及超級電容等其他儲能領域的創新成果，都充分展示了碳基材料的巨大潛力。

然而，我們也應看到，盡管在各個方面都取得了一定成績，但要實現碳基材料在儲能領域的廣泛應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定性、界面問題以及實現商業化應用等；在其他儲能領域，如何進一步優化材料性能、降低成本并擴大應用范圍等。

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

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