中國粉體網(wǎng)訊 近日，基于對天然石墨及其鋰電池應(yīng)用30年的深入研究，清華大學(xué)深圳國際研究生院康飛宇教授團隊總結(jié)討論了天然石墨的“前世今生”，并對用于鋰電池的天然石墨及其石墨烯衍生材料從全新視角進行了系統(tǒng)評述。
我國具有豐富的天然石墨資源，儲量約占全球40%以上。天然石墨作為一種重要的碳材料，其熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大、耐高溫，并具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、潤滑性、可塑性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性。經(jīng)過深加工改性的石墨材料與器件可廣泛應(yīng)用于電子、信息、新能源、環(huán)保和航天航空等產(chǎn)業(yè)。石墨烯的發(fā)現(xiàn)又為新型石墨材料的發(fā)展提供了新的技術(shù)路線。天然石墨的深加工或改性技術(shù)是指用物理或（電）化學(xué)方法，使石墨獲得新的結(jié)構(gòu)、形貌和組分，從而使其具有新功能的系列方法。在這些方法或技術(shù)中，石墨層間化合物制備技術(shù)最為關(guān)鍵，利用石墨層間化合物種類的多樣性及插層/脫插過程的可控性，可以獲得多種具有不同特殊功能的石墨基新材料。因此，天然石墨深加工技術(shù)是提高碳材料的科學(xué)研究水平和推動我國石墨材料產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。
近30年來，康飛宇帶領(lǐng)團隊在天然石墨的深加工與應(yīng)用技術(shù)方面進行了深入研究，推動了天然石墨負極和石墨烯導(dǎo)電劑在鋰離子電池中的應(yīng)用進程。康飛宇在國際上較早開展了石墨層間化合物的電化學(xué)合成技術(shù)研究，闡明了石墨階結(jié)構(gòu)和層間距的電化學(xué)調(diào)控機制，發(fā)現(xiàn)了氧化電位是控制石墨層間化合物階結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，闡明了精確調(diào)控機制，率先提出以甲酸、ZnCl2和FeCl3水溶液分別作為電解質(zhì)和插層物質(zhì)的電化學(xué)合成方法，研制出無硫、無毒和無腐蝕性的石墨層間化合物，獲得了膨脹石墨和柔性石墨的可控制備方法；發(fā)明了雙氧水/濃硫酸共插層天然鱗片石墨改性和微膨化技術(shù)，兩種插層劑的協(xié)同作用提高了插層效率，改善了天然石墨的層間結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了低雜質(zhì)可膨脹石墨的低成本制備，并通過控制脫插過程獲得膨化程度可控的膨脹石墨材料和微膨化技術(shù)；開拓了天然石墨在鋰離子電池中的應(yīng)用，發(fā)明了碳包覆微膨改性鱗片石墨負極材料及其制備技術(shù)，顯著提高了商用天然鱗片石墨負極的快速充電性能、寬使用溫度范圍和循環(huán)壽命，相關(guān)技術(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。團隊還發(fā)明了石墨烯導(dǎo)電劑應(yīng)用技術(shù)，通過多維度導(dǎo)電劑的協(xié)同效應(yīng)，解決了大電流下高離子位阻的瓶頸，提出了工業(yè)界通用的石墨烯導(dǎo)電劑使用原則，使導(dǎo)電劑用量減少50-80%。此外，康飛宇團隊將天然石墨深加工材料拓展應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如天然石墨改性產(chǎn)品在吸油及環(huán)保、隱身屏蔽、熱管理工程、燃料電池雙極板及核能、醫(yī)學(xué)中得到了應(yīng)用。
基于上述研究，康飛宇受邀系統(tǒng)總結(jié)了近30年來在天然石墨深加工與應(yīng)用技術(shù)方面的研究成果，撰寫了《天然石墨的改性與應(yīng)用》學(xué)術(shù)專著并由中國科學(xué)院院士成會明作序。該學(xué)術(shù)專著獲科技部2020年度“國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金”的資助，于2022年2月由清華大學(xué)出版社出版發(fā)行。
《天然石墨的改性與應(yīng)用》專著主要內(nèi)容
《天然石墨的改性與應(yīng)用》專著封面
康飛宇團隊早在1992年就開發(fā)了多種天然石墨基材料并將其應(yīng)用于多個領(lǐng)域，且在1997年較早地將天然石墨作為商業(yè)化負極材料應(yīng)用于鋰離子電池中，推動了天然石墨負極材料的研究和規(guī)�；瘧�(yīng)用。當(dāng)前，天然石墨基負極材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋰離子儲能和動力電池，2020年天然石墨負極材料的市場占有率達到39%。尤其是未來在節(jié)能減排和碳中和目標的驅(qū)動下，天然石墨低生產(chǎn)能耗和低成本等優(yōu)勢日益凸顯，必將占據(jù)越來越多鋰離子動力電池負極材料的市場份額，推動低成本動力電池和電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
基于此，團隊從多角度概述了天然石墨基負極材料的研究進展，不僅包括天然石墨的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、電化學(xué)性能、改性方法、石墨烯衍生物和復(fù)合材料，還涉及了石墨在混合鋰離子/鋰金屬電池和全固態(tài)電池中的應(yīng)用，并提出了下一代天然石墨基高能量密度鋰離子電池的設(shè)計策略和發(fā)展方向。論文重點總結(jié)了團隊在鋰離子電池天然石墨負極材料研究和應(yīng)用方面取得的開創(chuàng)性研究成果。
鋰離子電池天然石墨負極材料的研究與應(yīng)用歷程
鋰離子電池用天然石墨及其衍生物制備與改性方法
相關(guān)成果以“重新審視天然石墨在鋰離子電池發(fā)展中的作用”（Revisiting the Roles of Natural Graphite in Ongoing Lithium-Ion Batteries）為題發(fā)表在《先進材料》（AdvancedMaterials）上。清華大學(xué)深圳國際研究生院康飛宇教授為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級博士生趙亮和2019級碩士生丁百川為共同第一作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計劃本土創(chuàng)新團隊、深圳市優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)等項目的支持。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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