中國粉體網訊 近日，基于對天然石墨及其鋰電池應用30年的深入研究，清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授團隊總結討論了天然石墨的“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，其熱膨脹系數小、導熱系數大、耐高溫，并具有優異的導電性、潤滑性、可塑性、化學穩定性和抗熱震性。經過深加工改性的石墨材料與器件可廣泛應用于電子、信息、新能源、環保和航天航空等產業。石墨烯的發現又為新型石墨材料的發展提供了新的技術路線。天然石墨的深加工或改性技術是指用物理或（電）化學方法，使石墨獲得新的結構、形貌和組分，從而使其具有新功能的系列方法。在這些方法或技術中，石墨層間化合物制備技術最為關鍵，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是提高碳材料的科學研究水平和推動我國石墨材料產業健康發展的關鍵。
近30年來，康飛宇帶領團隊在天然石墨的深加工與應用技術方面進行了深入研究，推動了天然石墨負極和石墨烯導電劑在鋰離子電池中的應用進程。康飛宇在國際上較早開展了石墨層間化合物的電化學合成技術研究，闡明了石墨階結構和層間距的電化學調控機制，發現了氧化電位是控制石墨層間化合物階結構的關鍵因素，闡明了精確調控機制，率先提出以甲酸、ZnCl2和FeCl3水溶液分別作為電解質和插層物質的電化學合成方法，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，兩種插層劑的協同作用提高了插層效率，改善了天然石墨的層間結構，實現了低雜質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；開拓了天然石墨在鋰離子電池中的應用，發明了碳包覆微膨改性鱗片石墨負極材料及其制備技術，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壽命，相關技術已實現產業化。團隊還發明了石墨烯導電劑應用技術，通過多維度導電劑的協同效應，解決了大電流下高離子位阻的瓶頸，提出了工業界通用的石墨烯導電劑使用原則，使導電劑用量減少50-80%。此外，康飛宇團隊將天然石墨深加工材料拓展應用到其他領域，如天然石墨改性產品在吸油及環保、隱身屏蔽、熱管理工程、燃料電池雙極板及核能、醫學中得到了應用。
基于上述研究，康飛宇受邀系統總結了近30年來在天然石墨深加工與應用技術方面的研究成果，撰寫了《天然石墨的改性與應用》學術專著并由中國科學院院士成會明作序。該學術專著獲科技部2020年度“國家科學技術學術著作出版基金”的資助，于2022年2月由清華大學出版社出版發行。
《天然石墨的改性與應用》專著主要內容
《天然石墨的改性與應用》專著封面
康飛宇團隊早在1992年就開發了多種天然石墨基材料并將其應用于多個領域，且在1997年較早地將天然石墨作為商業化負極材料應用于鋰離子電池中，推動了天然石墨負極材料的研究和規模化應用。當前，天然石墨基負極材料已經廣泛應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%。尤其是未來在節能減排和碳中和目標的驅動下，天然石墨低生產能耗和低成本等優勢日益凸顯，必將占據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業的發展。
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構、性質、電化學性能、改性方法、石墨烯衍生物和復合材料，還涉及了石墨在混合鋰離子/鋰金屬電池和全固態電池中的應用，并提出了下一代天然石墨基高能量密度鋰離子電池的設計策略和發展方向。論文重點總結了團隊在鋰離子電池天然石墨負極材料研究和應用方面取得的開創性研究成果。
鋰離子電池天然石墨負極材料的研究與應用歷程
鋰離子電池用天然石墨及其衍生物制備與改性方法
相關成果以“重新審視天然石墨在鋰離子電池發展中的作用”（Revisiting the Roles of Natural Graphite in Ongoing Lithium-Ion Batteries）為題發表在《先進材料》（AdvancedMaterials）上。清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授為論文通訊作者，清華大學深圳國際研究生院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計劃、國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃本土創新團隊、深圳市優秀科技創新人才培養等項目的支持。
（中國粉體網編輯整理/文正）
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