NML综述｜碳织构在高性能锂离子电池中的应用

Enhanced Roles of Carbon Architectures in High-Performance Lithium-Ion Batteries

Lu Wang, Junwei Han, Debin Kong*, Ying Tao, Quan-Hong Yang*
Nano-Micro Lett. (2019) 11: 5
https://doi.org/10.1007/s40820-018-0233-1

本文亮点

1 总结了高性能锂离子电池中碳织构应用的研究进展，阐述了碳组装策略获得的碳织构作为活性材料、电化学反应框架及三维集流体在高容量、高通量锂离子电池构建中发挥的关键作用；2 从导电网络、离子传输通道、预留空间以及高密化结构设计角度讨论了在兼具高稳定性与高体积性能非碳电极构建中碳织构设计策略的高效应用；

3 强调了“碳笼”精确设计策略的重要性，其有望成为推动高容量非碳电极实用化进程的重要手段。

内容简介

近年来，便携式可移动电子设备、电动汽车的高速发展极大的提升了能源市场对轻质量、小体积、大容量锂离子电池的需求，传统商业化石墨负极及钴酸锂等正极材料的低容量已无法满足人们对锂离子电池使用的要求；而有望取代石墨负极的高容量非碳电极材料却面临着低导电性、循环性能差等应用问题。碳材料具有优异的导电性与化学稳定性、质量轻及孔结构可调等独特的性质，作为关键组分被广泛应用于高性能锂离子电池电极结构设计中。因此，碳织构的精确设计与可控制备是构建高容量/高功率锂离子电池，特别是解决高容量非碳电极实用化问题的重要手段。

天津大学杨全红教授领导的Nanoyang Group深耕碳材料研究20余年，致力于储能器件中碳纳米结构精确设计，解决先进电池中“碳”的科学问题和应用瓶颈，获得实用化的高性能电极材料和储能器件的解决方案。

在锂离子电池方面，杨全红教授团队2010年发明了石墨烯导电剂使用技术，解决了碳导电剂用量与高能量需求之间的矛盾；2018年提出“硫模板法”精准定制石墨烯碳笼有效解决了高容量硅、锡负极的体积膨胀问题，实现了高体积性能锂离子电池的构建。

本文总结了近年来关于碳织构应用在高性能锂离子电池中的研究进展，强调了组装策略制备获得的碳织构对高容量、高倍率锂离子电池电极与器件构建的重要作用，并展望碳织构的低成本制备、精准构建对于进一步提高锂离子电池能量密度（特别是体积能量密度）和反应效率将发挥至关重要的角色。

图文导读

1 碳织构的制备方法

图1 外力/外场作用下的组装方法

碳基材料的合成方法与制备过程直接决定了材料的结构与性能。常用的制备方法包括静电纺丝、化学气相沉积、自组装等方法。

通过在传统制备方法中引入外场因素如模板（软硬模板、自模板等）、真空力、电场、磁场、微波、机械力等（图一），可进一步实现对碳织构制备过程的有效调控，从而得到具有特定结构与优异性能的材料，用于提高锂离子电池电化学性能。

另外，从实用化的角度考虑，开发一步法制备碳/非碳复合结构有望促进实现高效、规模化且低成本的电池材料制备，因此也是碳织构制备的重要研究方向之一。

2 高倍率碳负极结构设计

图2 (a) 负载四氧化三铁纳米颗粒的石墨粉的示意图和形貌图，(b)铸造石墨电极示意图，(c) 定向与非定向电极结构中的锂扩散路径比较。

碳材料可直接用作锂离子电池负极材料，如传统的石墨负极材料。石墨负极具有良好的结构稳定性与良好的可逆脱嵌锂性能，但进一步提高石墨负极的面载量与倍率性能仍十分具有挑战性。

一种有效的策略是构建定向“石墨阵列”：在石墨片层上负载少量磁性四氧化三铁纳米颗粒，在外加磁场作用下将石墨片层定向排列，降低电极内部曲折率，可显著提高电池的活性物质载量与倍率性能。通过构建定向结构等提高电极内部传质效率逐渐成为高负载/高倍率正负极材料的有效设计策略。

3 高效碳基电化学反应框架

图3 (a) 以氧化石墨烯为模板原位生长制备二次微米颗粒示意图，(b) 以硫作为“变形金刚”模板制备高密多孔碳锡电极示意图，(c, d) 硫模板脱出前后的碳锡复合材料的形貌图，(e) 碳锡负极的电化学性能图。

高容量的硅、锡等电极材料存在导电性低、剧烈体积膨胀、循环性能差等问题，严重阻碍了其在锂离子电池中的应用。

为解决上述问题，可引入针对性结构设计的碳织构：选择适当的“点对点”、“面对点”、“面对面”、“边对面”等不同的碳与非碳界面接触模式以构建良好的导电、缓冲网络；利用碳材料的种类与合成方法的多样性，构建定向、分级及多层次结构保证畅通的离子、电子输运；通过构建核壳、三维多孔以及三维自支撑结构保证充足的缓冲空间；此外，通过二次颗粒的组装、石墨烯三维宏观体的毛细蒸发等策略，可显著提高电极材料的密度，从而实现高体积性能锂离子电池的构建。

4 碳基集流体

图5 (a) 三维碳基集流体设计原则，(b) 三维超厚电极与传统电极对比示意图，(c-d) 俯视和截面形貌图

碳基集流体具有密度小、导电性好等优点；与传统的铜箔、铝箔集流体相比，使用碳基集流体可以提高活性材料与集流体之间的结合力，降低非活性组分在整个电池器件中的质量占比，从而改善锂离子电池的循环寿命，提高器件的质量能量密度；即使与三维金属集流体相比，碳材料的低密度与化学稳定性仍促进其作为集流体在电化学过程中发挥更为重要的作用。