碳材料在能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化器中起重要作用

摘要

通過結(jié)構(gòu)納米化、復(fù)合化、有序化設(shè)計(jì)和功能導(dǎo)向組裝， 實(shí)現(xiàn)了碳材料跨越“納-微-宏”的多層次孔道、多尺度網(wǎng)絡(luò)、多組分界面的可調(diào)可控，構(gòu)建系列多功能精確耦合的微納超結(jié)構(gòu)碳材料。

作為儲(chǔ)能活性材料，碳材料同時(shí)又能構(gòu)建能量運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，在鋰離子電池、燃料電池等能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化器中起重要作用。

目前碳材料主要以炭黑、石墨、碳納米管、石墨烯、活性炭、碳纖維等多種形式被用于電化學(xué)儲(chǔ)能器件中，傳統(tǒng)碳材料存在微結(jié)構(gòu)無序、缺陷多及性能單一等難題待解，而以碳納米管和石墨烯為代表的新型材料，憑借優(yōu)異的導(dǎo)電性、高比表面積等特點(diǎn)，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域表現(xiàn)巨大的潛力。

8月26-27日，2020先進(jìn)電池材料集群產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇在深圳機(jī)場凱悅酒店舉行，此次會(huì)議由深圳先進(jìn)電池材料產(chǎn)業(yè)集群主辦，深圳市清新電源研究院、高工鋰電、高工氫電聯(lián)合承辦。

本次論壇上，清華大學(xué)深圳國際研究生院副院長、教授康飛宇發(fā)表題為“碳材料在儲(chǔ)能電池中的應(yīng)用”。

康飛宇教授介紹了碳基材料的特點(diǎn)、種類及其未來趨勢，并提出了通過納米結(jié)構(gòu)的層次化、有序化和功能導(dǎo)向組裝構(gòu)建微納超結(jié)構(gòu)碳材料的思想。

康飛宇表示，碳材料大都來自天然石墨材料，石墨又細(xì)分為鱗片石墨和微晶石墨。其團(tuán)隊(duì)的研發(fā)思路是，針對鱗片石墨開發(fā)碳包覆改性快充型鱗片石墨負(fù)極材料、多孔石墨烯導(dǎo)電材料及納米石墨片硅復(fù)合負(fù)極材料，其相應(yīng)的特點(diǎn)是離子嵌入快、導(dǎo)電效率高及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。

而微晶石墨各向同性膨脹小，且表面缺陷多、結(jié)構(gòu)易解體，其研發(fā)思路是研發(fā)高功率核殼結(jié)構(gòu)微晶石墨負(fù)極材料，相應(yīng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且離子嵌入快。

例如，針對硅碳負(fù)極，基于優(yōu)質(zhì)低硫可膨脹石墨（納米石墨片），可制備高容量納米石墨片/碳硅復(fù)合負(fù)極材料。納米石墨片/碳硅負(fù)極比容量達(dá)到1056 mAh/g (約為石墨的3倍)，循環(huán)穩(wěn)定性好。

此外，康飛宇還介紹了“微納超結(jié)構(gòu)碳材料”的新思路，發(fā)現(xiàn)包括通過結(jié)構(gòu)納米化、復(fù)合化、有序化設(shè)計(jì)和功能導(dǎo)向組裝， 實(shí)現(xiàn)了碳材料跨越“納-微-宏”的多層次孔道、多尺度網(wǎng)絡(luò)、多組分界面的可調(diào)可控，構(gòu)建了系列多功能精確耦合的微納超結(jié)構(gòu)碳材料，提出高效率、高 容量、高通量碳電極材料和功能組分的解決方案。

這其中就包括其建立的碳/碳和碳/非碳的多組分界面原位構(gòu)筑方法，提出了表面摻雜錨定金屬催化劑來高效形成碳/非碳耦合界面的新策略，實(shí)現(xiàn)了高通量的電 子輸運(yùn)和電荷分離，解決了電催化應(yīng)用中碳與催化劑間電子轉(zhuǎn)移阻抗大、利用率低的關(guān)鍵難題。