多孔碳具有優(yōu)異的電子和離子傳輸能力，理想的多孔碳具有較高的表面和電子電導(dǎo)率，但傳統(tǒng)的制備工藝要么生產(chǎn)率低，要么碳質(zhì)量差。

張浩、中國科學(xué)院金屬研究所李峰等軍事科學(xué)院防化研究所開發(fā)了一種自下而上的高度介孔——微孔石墨碳（MGC）鋰熱法通過聚四氟乙烯粉末和熔化鋰金屬之間的自蔓延高溫反應(yīng)，以毫秒的速度合成了具有高石墨化和連續(xù)開孔結(jié)構(gòu)的介-微孔碳。（MGC）。

這種MGC具有優(yōu)異的電化學(xué)電容性能，包括優(yōu)異的功率能力和超長期的循環(huán)穩(wěn)定性。這個(gè)制備過程不僅時(shí)間短，產(chǎn)量高，而且可以擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)水平。

以“相關(guān)研究成果”Sub-millisecond lithiothermal synthesis of graphitic meso–microporous carbon"問題發(fā)表于《Nature Communications》。

/ 圖文導(dǎo)讀 /

圖1. 高度多孔石墨化碳的示意圖是通過PTFE粉末和熔化鋰金屬反應(yīng)產(chǎn)生的。透射電子顯微鏡（TEM）高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像顯示了商品的多孔微觀結(jié)構(gòu)和相連孔道，以及納米尺度孔眼網(wǎng)絡(luò)，由多層碳層包圍。

圖2. 通過X射線衍射（XRD）、電子能量損失譜拉曼光譜（EELS）還有X射線光電子能譜（XPS）表征多孔石墨碳，確定其高度石墨化的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電導(dǎo)率。

圖3. EMIMBF4電解液中MGC的超級電容性能，包括循環(huán)伏安。（CV）曲線，恒流充放電（GCD）曲線，比電容器隨電流強(qiáng)度變化的曲線，Nyquist圖片、測試相位角與頻率的關(guān)系和循環(huán)穩(wěn)定性。

圖4. 在不同孔結(jié)構(gòu)中，COMSOL多物理場模擬顯示了電解液離子通量的分布，以及BF4?在MGC中，離子和碳基表面層的吸附可以計(jì)算出離子的快速傳輸機(jī)制。

/ 總結(jié)展望 /

該研究展示了一種可擴(kuò)展且超快的鋰熱生成過程，用于制備高多孔、低氧含量的石墨碳。該MGC具有相互連接的開放通道，有利于離子在電極體內(nèi)的傳輸和轉(zhuǎn)移。即使電流強(qiáng)度從10.0，作為超級電容器的電極材料 A增加到200.0.0 A在EMIMBF4電解液中，MGC仍然表現(xiàn)出理想的倍率性能和90%以上的電容保持率。

另外，MGC在內(nèi)部并聯(lián)結(jié)構(gòu)的袋式電池中也顯示出其優(yōu)于商用活性炭的優(yōu)點(diǎn)，顯示出47 Wh與1755相比，/kgMGC的能量 kW/kgMGC的比功率。該方法以超高溫和固體試劑為特征，通過其它金屬元素(鈉、鉀、鎂、鋁等)擴(kuò)展到高度石墨化的多孔碳。

MGC在實(shí)際軟包電池中也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，比商用活性炭電極具有更好的電容和能量密度。這種石墨化多孔碳是由超高溫和固體反應(yīng)劑制成的，為電化學(xué)能源的儲存和運(yùn)輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用提供了有前景的策略。

DOI：10.1038/s41467-024-47916-y

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原標(biāo)題：亞毫秒級極快生成介孔-微孔石墨碳[復(fù)材信息]

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