碳材料在能量存储与转化器中起重要作用

摘要

通过结构纳米化、复合化、有序化设计和功能导向组装， 实现了碳材料跨越“纳-微-宏”的多层次孔道、多尺度网络、多组分界面的可调可控，构建系列多功能精确耦合的微纳超结构碳材料。

作为储能活性材料，碳材料同时又能构建能量运输网络，在锂离子电池、燃料电池等能量存储与转化器中起重要作用。

目前碳材料主要以炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯、活性炭、碳纤维等多种形式被用于电化学储能器件中，传统碳材料存在微结构无序、缺陷多及性能单一等难题待解，而以碳纳米管和石墨烯为代表的新型材料，凭借优异的导电性、高比表面积等特点，在电化学储能领域表现巨大的潜力。

8月26-27日，2020先进电池材料集群产业发展论坛在深圳机场凯悦酒店举行，此次会议由深圳先进电池材料产业集群主办，深圳市清新电源研究院、高工锂电、高工氢电联合承办。

本次论坛上，清华大学深圳国际研究生院副院长、教授康飞宇发表题为“碳材料在储能电池中的应用”。

康飞宇教授介绍了碳基材料的特点、种类及其未来趋势，并提出了通过纳米结构的层次化、有序化和功能导向组装构建微纳超结构碳材料的思想。

康飞宇表示，碳材料大都来自天然石墨材料，石墨又细分为鳞片石墨和微晶石墨。其团队的研发思路是，针对鳞片石墨开发碳包覆改性快充型鳞片石墨负极材料、多孔石墨烯导电材料及纳米石墨片硅复合负极材料，其相应的特点是离子嵌入快、导电效率高及结构稳定性好。

而微晶石墨各向同性膨胀小，且表面缺陷多、结构易解体，其研发思路是研发高功率核壳结构微晶石墨负极材料，相应的特点是结构稳定且离子嵌入快。

例如，针对硅碳负极，基于优质低硫可膨胀石墨（纳米石墨片），可制备高容量纳米石墨片/碳硅复合负极材料。纳米石墨片/碳硅负极比容量达到1056 mAh/g (约为石墨的3倍)，循环稳定性好。

此外，康飞宇还介绍了“微纳超结构碳材料”的新思路，发现包括通过结构纳米化、复合化、有序化设计和功能导向组装， 实现了碳材料跨越“纳-微-宏”的多层次孔道、多尺度网络、多组分界面的可调可控，构建了系列多功能精确耦合的微纳超结构碳材料，提出高效率、高 容量、高通量碳电极材料和功能组分的解决方案。

这其中就包括其建立的碳/碳和碳/非碳的多组分界面原位构筑方法，提出了表面掺杂锚定金属催化剂来高效形成碳/非碳耦合界面的新策略，实现了高通量的电 子输运和电荷分离，解决了电催化应用中碳与催化剂间电子转移阻抗大、利用率低的关键难题。