「創刊25週年專刊論文推薦」中間相炭微球在鋰離子電池負極材料的應用進展

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本文綜述了近年來MCMB用於鋰離子電池負極材料以及其他儲能材料的研究進展，著重論述了碳結構、表界面以及複合材料等微觀結構設計對MCMB鋰離子電池負極材料電化學性能的影響規律，對高性能鋰離子電池負極材料的結構設計具有指導意義。

作者

杜俊濤1，聶 毅1,2，呂家賀1,3，馬江凱1,4，郟慧娜1，張敏鑫1，孫一凱1，鄭雙雙1，白 璐2

作者單位

1. 鄭州中科新興產業技術研究院(中國科學院過程工程研究所鄭州分所)

2. 中國科學院 過程工程研究所

3. 大連理工大學 化工學院

4. 鄭州大學 化工學院

摘要

中間相炭微球(MCMB)具有良好鋰離子擴散性、導電性和機械穩定性等優勢，是目前應用廣泛、綜合性能優異的鋰離子電池負極材料，但較低理論比容量是制約其發展的關鍵因素。為了獲得性能優良的MCMB基鋰離子電池負極材料，改性修飾和複合材料已然成為目前研發重點。筆者論述了碳結構、表界面和複合材料等微觀結構設計對MCMB負極材料電化學性能的影響。從碳堆積結構類型、有序性、層間距以及球體粒徑大小等方面，論述了碳結構微觀設計對MCMB電化學性能的影響。發現具有亂層結構的MCMB在充放電過程中內部產生應力較小，且碳結構較穩定，具有優異循環穩定性；內部具有大量微孔或碳層間距較大的MCMB，在充放電過程中可提高鋰離子在電極中的遷移速率，並提供更多的儲鋰空間，一般具有優良的充放電比容量和倍率性能；小粒徑MCMB具有較短的鋰離子遷移路徑和隨之增加的比表面積，通常具有較好倍率性能，伴隨著可逆比容量和充放電效率的衰減。從表界面碳層改性、包覆和摻雜改性等方面，論述了表界面改性對MCMB電化學性能的影響。表面碳層修飾可增加MCMB與電解液的相容性及其比表面積，提高了與電解液的接觸面積及貯鋰容量，改善了鋰離子電池負極材料的電化學性能；另外，MCMB表面包覆一層無定型碳，可避免其表面與電解液直接接觸，減少電化學副反應的產生，提升其可逆比容量。從碳活性物質複合材料、非碳活性物質複合材料等方面，論述了複合材料微觀結構設計對MCMB電化學性能的影響。碳活性物質可降低MCMB內部碳層結構的有序性，減少鋰離子嵌入過程中的內部應力，提升MCMB循環穩定性。非碳活性物質誘導MCMB生成更加有序的碳層結構，提高MCMB的比表面積，從而改善MCMB表面與電解液分子的接觸能力及其嵌鋰性能，有利於提升MCMB負極材料可逆比容量、循環性能和倍率性能。MCMB具有高碳層間距和多缺陷位點等結構特徵，有利於鈉離子自由脫嵌，應用於鈉離子電池時具有良好的可逆比容量、循環穩定性和倍率性能。MCMB的不規則定向層狀結構經活化等處理具有較高比表面積，可應用於超級電容器電極材料。最後提出在高性能鋰離子電池電極材料快速發展的需求下，從微觀結構角度設計MCMB納米複合材料將是MCMB負極材料的研究重點。

結語和展望

中間相炭微球(MCMB)作為一種優質的碳材料，被廣泛應用於鋰離子電池等儲能領域。MCMB具有穩定的層狀結構，可為鋰離子的嵌入和脫出提供有利的定向通道，作為鋰離子電池負極材料時表現出卓越的循環穩定性。但實際應用中MCMB也存在無法突破石墨材料低理論比容量的缺陷，難以滿足日益增長的技術需求。

目前，MCMB負極材料的研究可歸納為兩大主流方向：① 設計MCMB碳結構及表界面，以改善和優化電化學性能。通過物理和化學等方法，增加MCMB碳層間距、儲鋰活性位點和表界面電解液相容性等性能，以改善和優化MCMB充放電比容量、循環穩定性等電化學性能。② 設計和構建MCMB複合材料以提升電化學性能，是目前比較有效的途徑。將納米化負極活性物質與MCMB複合，可以改變複合材料的貯鋰機制，通過結構設計充分發揮幾種材料的協同作用，從而顯著提升電極材料的電化學性能。這些方法雖然優化提升了MCMB的電化學性能，但在技術可靠性、工業化和經濟效益方面均有待進一步深入研究和探討。因此，在高性能鋰離子電池電極材料快速發展的需求下，從微觀結構角度設計MCMB納米複合材料以提升電化學性能，將是MCMB鋰離子電池負極材料的研究重點。

引文格式

杜俊濤，聶毅，呂家賀,等.中間相炭微球在鋰離子電池負極材料的應用進展[J].潔淨煤技術，2020，26(1):129-138.

DU Juntao,NIE Yi,LYU Jiahe,et al.Application progress on mesocarbon microbeads as anode materials for lithium ion batteries[J].Clean Coal Technology，2020，26(1):129-138.

END

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