中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，基于對(duì)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(guó)際研究生院康飛宇教授團(tuán)隊(duì)總結(jié)討論了天然石墨的“前世今生”，并對(duì)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(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)述。
我國(guó)具有豐富的天然石墨資源，儲(chǔ)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(rùn)滑性、可塑性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性。經(jīng)過(guò)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(guò)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(dòng)我國(guó)石墨材料產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。
近30年來(lái)，康飛宇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在天然石墨的深加工與應(yīng)用技術(shù)方面進(jìn)行了深入研究，推動(dòng)了天然石墨負(fù)極和石墨烯導(dǎo)電劑在鋰離子電池中的應(yīng)用進(jìn)程�？碉w宇在國(guó)際上較早開(kāi)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(jī)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(jī)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(wú)硫、無(wú)毒和無(wú)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(shí)現(xiàn)了低雜質(zhì)可膨脹石墨的低成本制備，并通過(guò)控制脫插過(guò)程獲得膨化程度可控的膨脹石墨材料和微膨化技術(shù)；開(kāi)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(fù)極材料及其制備技術(shù)，顯著提高了商用天然鱗片石墨負(fù)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了石墨烯導(dǎo)電劑應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)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(tuán)隊(duì)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(lái)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(guó)科學(xué)院院士成會(huì)明作序。該學(xué)術(shù)專著獲科技部2020年度“國(guó)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(tuán)隊(duì)早在1992年就開(kāi)發(fā)了多種天然石墨基材料并將其應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，且在1997年較早地將天然石墨作為商業(yè)化負(fù)極材料應(yīng)用于鋰離子電池中，推動(dòng)了天然石墨負(fù)極材料的研究和規(guī)�；瘧�(yīng)用。當(dāng)前，天然石墨基負(fù)極材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋰離子儲(chǔ)能和動(dòng)力電池，2020年天然石墨負(fù)極材料的市場(chǎng)占有率達(dá)到39%。尤其是未來(lái)在節(jié)能減排和碳中和目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，天然石墨低生產(chǎn)能耗和低成本等優(yōu)勢(shì)日益凸顯，必將占據(jù)越來(lái)越多鋰離子動(dòng)力電池負(fù)極材料的市場(chǎng)份額，推動(dòng)低成本動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
基于此，團(tuán)隊(duì)從多角度概述了天然石墨基負(fù)極材料的研究進(jìn)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(jì)策略和發(fā)展方向。論文重點(diǎn)總結(jié)了團(tuán)隊(duì)在鋰離子電池天然石墨負(fù)極材料研究和應(yīng)用方面取得的開(kāi)創(chuàng)性研究成果。
鋰離子電池天然石墨負(fù)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(jìn)材料》（AdvancedMaterials）上。清華大學(xué)深圳國(guó)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(guó)際研究生院2020級(jí)博士生趙亮和2019級(jí)碩士生丁百川為共同第一作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計(jì)劃本土創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、深圳市優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)等項(xiàng)目的支持。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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