华中科技大学，西北工业大学AFM：高导电碳/碳复合材料作为结构锂离子电池先进多功能负极材料

第一作者：武洪源

通讯作者：魏璐*，付前刚*，郭新*

单位：华中科技大学、西北工业大学

为了在2050年实现脱碳和净零排放目标，交通系统的电气化至关重要，而支撑目前新能源电动汽车发展的关键技术仍取决于锂离子电池技术。为了使电动车辆具有能源和空间效率，电池需要能够存储更多的能量，而不增加车辆的重量或减少车辆的有效载荷容量。过去的三十年间，科研工作者一直致力于提升锂离子电池的能量密度，现有商业锂离子电池的能量密度已接近理论极限，然而传统锂离子电池在提高自身能量密度的同时，也增加了热失控的风险，需要采用额外的保护组件。现阶段，在保证电动车辆安全性的同时，进一步提升其续航里程面临巨大的挑战，结构电池（Structural Batteries）的提出被视为解决电动汽车能量和空间效率极具前途的策略。作为一种结合机械承载和能量存储的新型多功能储能器件，结构电池在提供电能的同时可兼做结构部件（例如汽车底盘、框架等），通过减轻车体重量，提升体积效率，实现有效提升续航里程的目的。

近年来，结构电池的概念越来越受到关注。作为一种新兴的多功能电池技术，结构电池旨在提供储能和机械承重能力。与传统的电池系统相比，结构电池可有效减少系统中使用的组件材料的数量。结构电池的关键要求是增强机械性能，例如在各种机械载荷下的强度和模量等。因此，开发先进的多功能电极材料，不仅可以作为储能器件，还可以提供机械性能，这对于结构电池的实现至关重要。在目前的结构电池中，碳纤维（CF）通常用作电极组件，因为它不仅具有优异的机械性能而且重量轻。CF作为多功能负极工作时，不仅可以提供锂离子存储并且提高了机械强度。由于CF的自支撑性和高导电性，CF基负极不需要粘结剂和金属集流体，这进一步节约了质量。然而，CF在Li⁺插层/脱嵌过程中发生显著的体积膨胀/收缩，导致纤维在反复充放电循环中结构快速退化。为提高CF负极的比容量，采用常规浆料浇注法制备了石墨涂层CF作为结构负极。尽管这种方法在一定程度上提高了CF基负极的比容量，但无法解决CF在Li⁺插层/脱嵌过程中存在的大体积变化问题。因此，需要开发电化学性能优异的碳纤维增强复合材料，在保证其优异力学性能的同时，提升其单位体积比容量和充放电循环稳定性，从而进一步提升结构电池的能量密度和寿命。

近日，华中科技大学郭新教授、魏璐副教授团队与西北工业大学李贺军院士、付前刚教授团队合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Highly Conductive Carbon/Carbon Composites as Advanced Multifunctional Anode Materials for Structural Lithium-Ion Batteries”的研究性论文。该文章报道了一种通过等温化学气相渗积工艺制备的高导电性碳/碳（C/C）复合材料作为结构锂离子电池多功能负极材料。

首先以PAN基碳毡为基体，CH₄为热解碳源，通过等温化学气相沉积技术制备出了C/C电极，随后使用SEM和TEM观察到该材料具有核/壳结构，芯部为碳纤维，外部均匀包裹一层热解碳。

进一步证明该材料具有核/壳结构，从表层到芯部石墨化程度逐渐降低。MIP、氮气等温吸/脱附测试和 SAXS 证明了该材料具有分散且发达的孔隙结构，低比表面积（1.86 m² g⁻¹）和低迂曲度（4.65）。

面载量为20 mg cm⁻²的Li||C/C电池，可以稳定循环350圈以上，并且在2 C下依然具有166 mAh g⁻¹的比容量。C/C||LiFePO₄全电池(C/C为20 mg cm^-2, LiFePO₄为34 mg cm^-2)具有高比容量(0.1 C时157 mAh g^-1)，优异的倍率能力(1 C时139 mAh g^-1)和循环稳定性(200次循环后容量保持82.3%)。

测得C/C电极的面内和体相电子电导率分别为8938和2.08×10⁷ S m⁻¹，锂离子扩散系数为1.74×10⁻⁶ cm² s⁻¹。使用 GITT、CV和 TEM等表征结合之前的电化学性能测试，揭示了 C/C 复合材料“吸附-插层-纳米孔填充”的储锂机制。

C/C||LFP软包电池的力学性能明显提升，在1 MPa 的压力下循环500圈仍有77.2%的容量保持率并且在2 MPa的压力下仍然可以稳定运行。

Highly Conductive Carbon/Carbon Composites as Advanced Multifunctional Anode Materials for Structural Lithium-Ion Batteries