佛山季华实验室&湖南大学：快充负极新策略-用沥青衍生碳填充膨胀石墨孔隙，构建坚固的多通道结构，助力锂离子在负极的快速输运

第一作者：全卓华，卢安邦，王飞

通讯作者：张成智*，叶崇*，谭军*

单位：季华实验室，湖南大学

石墨负极的缓慢动力学和锂沉积问题被认为是锂离子电池快速充电的主要限制因素。膨胀石墨释放的大量活性位点和提升的锂存储平台，使其在提高电池倍率性能方面显示出巨大的潜力。然而，快速充电引起的结构坍塌风险显著降低膨胀石墨负极的循环寿命。

这项工作通过用沥青衍生软碳填充膨胀石墨的层孔（EGC），设计了一种具有大量通孔的稳定结构。这种蜂窝状结构是一种很好的快速充电候选电极材料。它具有丰富的活性位点、扩大的离子传输通道和高效的离子传输界面。实验和计算结果表明，与商用快速充电石墨负极相比，EGC电极表现出显著提升的锂离子储存动力学和持久的长循环寿命。值得注意的是，EGC//NCM811全电池具有卓越的快速充电和稳定性能（20分钟充电可达到满负荷80%的荷电状态）。本研究中的简单多功能膨胀石墨改性策略为快速充电锂离子电池设计提供了一种新方法。

基于此，来自佛山季华实验室的张成智博士团队与湖南大学的叶崇研究员团队合作，在国际知名期刊Carbon上发表题为“Soft carbon filled in expanded graphite layer pores for superior fast-charging lithium-ion batteries”的研究论文。该文章通过巧妙地设计的填孔策略，将沥青衍生软碳填充到膨胀石墨层孔中，设计出稳固的多通道结构，EGC（如图1）。

图1. 沥青衍生软碳填孔膨胀石墨（EGC）的制备工艺。

膨胀石墨作为电池负极材料存在首效低、循环稳定性差等应用问题。大量存在的层孔造成过度表面，需要消耗更多锂构建SEI层，导致首效过低。膨胀层孔尺寸过大，在电池循环中容易引发结构坍塌，进而呈现出较差的循环稳定性。设计新型的马蜂窝状结构可以在一定程度上缓解膨胀石墨的这些缺陷。本工作尝试在颗粒表面附近“糊”软碳“泥”对膨胀石墨骨架进行“定型”来构筑马蜂窝状结构，如图2所示。这种特异结构不仅对近表面的界面构建产生深远影响，也确保了膨胀石墨内部储能空间和通道的畅通。

图2. 沥青衍生软碳填孔膨胀石墨的结构示意图。（a）SEM，（b）FIB-SEM and (c-f) micro-CT.

要点二：EGC的动力学特征

基于膨胀石墨的蜂窝结构提供了大量的大孔、中孔和丰富的边缘缺陷，使得EGC相较于石墨具有额外的活性反应位点。这种独特的设计能够诱导具有动力学加速效应的界面生成，并改善体相离子传输能力（如图3所示），也能使EGC的锂嵌入平台在快速充电工况下远离锂沉积电位。

图3. EGC与商用快充石墨BFC-H21的动力学特征对比。（a）奈奎斯特图，（b）拟合韦伯扩散系数，（c-d）GITT扩散系数和（e-g）基于密度泛函数计算得到的锂离子扩散能垒.

要点三：EGC的快充表现

图4显示了NCM811//EGC全电池的出色快速充电性能。在170 mA g⁻¹的电流密度下，采用了EGC的全电池在200次循环后仍保持70.59%的容量。在3C的电流密度下（1C@NCM811=170 mA g⁻¹），初始容量为160 mAh g⁻¹，在50次循环后仍保持126 mAh g⁻¹，容量保持率接近80%，表明EGC在快速充电工况下具有良好的可逆性。为了直观评估EGC在不同倍率下的容量改善，采用了一种自定义充电方案，充电速率从0.1C到5C不等，放电速率固定在0.2C。结果表明，EGC在大倍率充电时具有可观改善。

图4. EGC与商用快充石墨BFC-H21的全电池性能对比。（a）全电池工作原理，（b）1C长循环，（c-d）3C循环和（e）不同倍率性能.

要点四：其他应用前景

这种结构稳定坚固的马蜂窝状多孔碳材料结构可进行壁厚和孔隙调控，有望成为硅负极、硫正极、锂金属电极等下一代电极材料的限域骨架，抑制循环穿梭与体积膨胀，助力新型电池的实用化。

Soft carbon filled in expanded graphite layer pores for superior fast-charging lithium-ion batteries

季华实验室

张成智，博士。分别于2015年和2020年在湖南大学获得碳材料学士学位和博士学位。2022年中国科学院金属研究所访问学者。2023年完成季华实验室的博士后研究。目前研究方向主要集中在用于电化学储能的碳基和硅基复合材料的合成和应用上。在同行评审期刊上发表了38多篇论文，包括Energy Environmental Science, Advanced Energy Materials, Energy Storage Materials等，引用1506次（H-index 19）。

叶崇 研究员

湖南大学

叶崇，博士，湖南大学研究员，博士生导师，国家高层次人才青年人才，先进炭材料及应用技术湖南省重点实验室主任。主要致力于高导热中间相沥青碳纤维及其复合材料的基础理论研究与国产化研制工作，兼任全国碳纤维标准化技术委员会委员。主持国家及省市项目近20项，已在国内外学术刊物上发表论文50余篇，已获授权中国发明专利30余项，项目成果获2019年度湖南省技术发明一等奖及2020年度国家科技进步二等奖。

谭军 研究员

季华实验室

谭军，博士，研究员。1995年毕业于天津大学金属材料及热处理专业，1998年硕士毕业于中国科学院金属研究所，2002年于中国科学院金属研究所获博士学位。长期从事电子显微镜和离子束显微镜技术平台建设、深度功能开发等研究及应用。先后主持和参与完成国家重大科研仪器研制项目等国家及科学院重点重大项目8项，项目总金额超过3400万元；获得授权及申请专利近30项，发表SCI 论文46篇，其中包括Nature Materials, Carbon, Advanced Materials, Acta Materialia等。中国电子显微学会聚焦离子束专业委员会委员，中国材料与试验标准委员会CSTM委员；2012 年获得中国科学院“现有关键技术人才”；2014 年入选中国科学院海外创新人才计划，2018年度中国科学院院所两级公共技术服务中心优秀个人。

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