近年来，高度石墨化的微介孔碳材料（MGC）凭借其卓越的比表面积和优异的电导性，在储能领域掀起了研究热潮。如何克服传统活性炭在电荷/质量传输方面的局限性，成为提升电化学性能的关键所在。
军事科学院防化研究院张浩研究员与中科院金属所李峰研究员带领的团队为这一难题带来了全新的解决方案，研究成果发表于国际权威期刊《Nature Communications》。
他们首次提出利用“锂热法”——通过聚四氟乙烯（PTFE）粉末与熔融锂金属的自蔓延超高温反应，自下而上合成出高度石墨化的微介孔碳材料（MGC）。这种新型材料在储能设备中表现出了超高的倍率性能和优异的循环稳定性，尤其是在100,000次充放电循环后，电容保持率仍高达97.7%。
图1：高石墨化多孔碳材料的结构表征
A. 通过PTFE和熔融锂金属“锂热法”合成MGC的示意图；
B-C. MGC材料的透射电子显微镜（TEM）图，展示了丰富的孔隙结构；
D. 氮吸附等温线及孔径分布图，显示了微孔尺寸约为1.2 nm，中孔尺寸约为3.0 nm。
通过锂热反应瞬间达到的超高温，生成了具有洋葱状石墨层结构的多孔碳材料，其高石墨化程度赋予了材料优异的导电性能。此外，氮气吸脱附实验表明，该材料具有发达的孔隙结构，孔径与锂热反应中生成的LiF纳米粒子相匹配，确保了材料的比表面积和离子的快速迁移能力。
图2：高石墨化多孔碳（MGC、OMGC）的结构表征
A. X射线衍射图（XRD）；
B. 拉曼光谱图，展示了材料的石墨化程度；
C. 电子能量损失谱（EELS）；
D. X射线光电子能谱（XPS），显示了样品的表面元素组成。
通过比较MGC与引入氧含量后的OMGC材料，研究发现氧官能团的存在显著影响了材料的石墨化程度及电导性能。MGC的sp2杂化碳比例高达76%，显示其较高的电子导电率。
高倍率性能与电化学性能表现
图3：MGC材料的电化学性能
A. 不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线；
B. 不同电流密度下的充放电曲线，展现了该材料在200.0 A/g下仍能保持高达110 F/g的比电容。
通过电化学阻抗谱（EIS）测试，研究团队发现，MGC的内阻极低，时间常数仅为31.5 ms，接近洋葱状碳电极的表现。这种材料的高倍率性能不仅适用于高功率储能设备，还可应用于电容去离子化（CDI）等领域。
图4：MGC材料超高倍率性能的来源
A. 电解质离子在通孔与分级孔中的通量分布；
B. 通孔对离子迁移的促进作用；
C. BF4-离子与石墨烯层之间的相互作用；
D. MGC材料中的离子传输示意图。
模拟分析显示，MGC材料的通孔结构显著提高了离子的迁移速率，而高石墨化程度进一步增强了材料的导电性。这些特性为未来高性能超级电容器和储能设备的开发奠定了重要基础。
应用前景与结语
张浩研究员团队通过“锂热法”合成的高度石墨化微介孔碳材料，为高功率储能设备的开发提供了全新的思路，其优异的倍率性能和循环稳定性使其在未来的储能技术中展现出广阔的应用前景。
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参考文献：
Huimin Zhang, Jingyi Qiu, Jie Pang, Gaoping Cao, Bingsen Zhang, Li Wang, Xiangming He, Xuning Feng, Shizhou Ma, Xinggao Zhang, Hai Ming, Zhuangnan Li, Feng Li & Hao Zhang. Sub-millisecond lithiothermal synthesis of graphitic meso–microporous carbon. Nat. Commun. 15, 3491 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47916-y
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