吉林大学林海波教授团队Carbon：稻壳活性炭/碳纳米管复合材料协同提高铅炭电池性能

第一作者：刘志强

通讯作者：林海波*，林楠*

单位：吉林大学

铅炭电池（LCB）是一种经过超级电容炭材料修饰的先进铅酸电池，兼具电容特性。这一创新设计保留了传统铅酸电池低成本、高安全性、出色的可回收性以及成熟的制造工艺，同时大幅度提升了其在充放电过程中的性能，因而在新能源电力储能领域展现出巨大的应用潜力。铅炭电池中的负极设计至关重要，而碳基添加剂的开发则是实现性能提升的关键。稻壳活性炭（RHAC）作为一种碳基添加剂，因其良好的储能特性在LCB中备受关注。然而，RHAC的无定形结构导致其导电性不足，且其微孔结构限制了离子的有效传导，使得高倍率充放电性能受到影响。相比之下，碳纳米管（CNT）具备高长径比和优异的导电性，有望在LCB负极中构建高效的长程导电网络，但其在LCB中的分散性较差，且高析氢活性可能带来副反应。通过在RHAC表面直接生长CNT，能够在改善电子、离子导电性的同时，提高CNT的分散性。因此，RHAC与CNT的化学复合材料（CNTs/RHAC）在铅碳负极中具有协同增效的潜力。然而，目前针对这种复合材料在LCB负极中的应用研究尚不充分。本文提出一种简单、高效的复合材料制备策略，并深入探讨了CNTs/RHAC在LCB中的增效机制，为开发高性能LCB负极碳添加剂提供了新的思路。

近日，吉林大学林海波教授和林楠助理教授团队在国际期刊 Carbon 上发表了一篇题为“Rice husk-based activated carbon/carbon nanotubes composites for synergistically enhancing the performance of lead-carbon batteries” 的研究论文。文章提出了一种简化的一步热处理法，以合成稻壳基活性炭和碳纳米管的复合材料（CNTs/RHAC），并探索了其在LCB负极中的应用表现。相比传统RHAC材料，CNTs/RHAC的石墨化程度明显提高，电子电导率提升了3至5倍，同时微孔体积比例显著减少，离子传导性显著增强。当复合材料中碳纳米管含量为30 wt.%时，电池在高倍率部分荷电状态下的循环寿命显著延长，为对照电池的10倍以上。这一增强归因于CNTs/RHAC在负极活性材料中构建了长程导电网络，提升了铅的沉积能力，减弱了充电过程中的极化现象，延缓了硫酸盐化进程，从而极大地提升了电池的使用寿命。密度泛函理论（DFT）计算进一步证实了CNTs/RHAC对铅原子有更高的吸附能，展现出更优的铅沉积活性。

活性炭与碳纳米管复合材料的制备通常需要多步热处理过程，包括惰性气氛中热分解、氢气还原及化学气相沉积（CVD）生长CNT，操作复杂、成本高。本文提出了一种在氢气与甲烷混合气中通过一步热处理合成CNTs/RHAC的策略，实现了镍氢氧化物的热分解、氧化物还原及CNT生长的一体化过程，既简化了操作又降低了制备成本。同时，通过调整前驱体的质量，实现了复合材料微观结构的精准调控。

循环伏安（CV）、阻抗谱（EIS）、扫描电化学显微镜（SECM）及电池性能测试结果表明，CNTs/RHAC实现了RHAC与CNTs的协同作用。CNTs在负极活性物质中构建长程导电网络，优化电流密度分布，显著降低极化，同时促进Pb²⁺的传导。而RHAC的高比表面积及分层多级孔结构可提供电容作用，促进铅的沉积，有助于形成稳定的铅碳复合结构。

通过调控前驱体质量，可以优化复合材料中碳纳米管的比例。过高的CNT含量会导致析氢反应加剧，同时缠绕的碳纳米管结构增加了Pb²⁺传输阻力，反而削弱了性能；而含量过低则限制了CNTs的积极作用。实验发现，30 wt.%的CNTs比例实现了最佳的孔结构和碳纳米管形态，在LCB的高倍率充放电中表现出显著的循环性能提升。

‘Rice husk-based activated carbon/carbon nanotubes composites for synergistically enhancing the performance of lead-carbon batteries’

林海波教授简介：吉林大学教授/博士生导师，吉林大学唐敖庆卓越教授，国家“十三五”、“十四五”重点研发计划项目首席科学家。中国电化学委员会委员，中国化工学会精细化工专业委员会副主任，中国化工学会储能工程专委会委员，全国有机电化学与工业联合会理事长。研究领域：电催化和有机电合成、电化学工程、电化学储能技术、环境电化学。

林楠助理教授简介：吉林大学助理教授，博士毕业于德国TU Braunschweig，而后在德国Fraunhofer ITWM研究所从事博士后研究工作，目前工作于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室。主要从事电化学能源转换和物质转化系统跨尺度建模、离子及原子尺度p-n结效应、电池人工智能大模型、物理模型结合的算子神经网络。

吉林大学化学学院博士研究生，主要从事储能用铅炭电池负极碳添加剂的应用研究。

吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室白城电化学储能技术研发基地团队成员由吉林大学、企业以及来自海内外的中青年科学家和工程技术人员组成，拥有杨裕生院士和冯守华院士两位院士顾问，青年教授(高工)7人，博士后3人，工程技术人员3人，博士和硕士研究生20余人，2017年入选吉林大学高层次科技创新团队，2022年被评为吉林大学优秀创新团队。

团队基于高性能电池材料开发单体电池及电池模块技术工艺,研发出适合不同应用需求(如高能量密度、高功率密度、高安全性、低成本等)的具有特色的储能电池，促进其在新能源产业中的应用，与企业合作，建成集关键材料研究开发、电池结构设计、评价及集成技术研究开发为一体的开发研究体系。

2018年新华社以我国科学家用稻壳制备铅炭电池报道了我们的工作，2021年我们团队获得了巴甫洛夫国际铅酸电池青年奖，这是中国人第一次获得这个奖项。2022年应邀在国际著名期刊EER发表铅炭电池评论文章。2023年我们团队获得第二届先进储能技术创新挑战赛技术创意三等奖。近5年，团队在铅炭电池和关键材料方面的基础研究和技术开发方面取得了一系列具有自主知识产权的成果，特别是在世界上率先用稻壳制备成高性能铅炭电池负极碳基添加剂并开发了先进铅酸电池，电池性能达到国际先进水平，引起了国际同行的广泛关注，已经成为支撑我国铅酸电池产业技术升级的重要研发力量。