张浩/李峰Nature子刊：亚毫秒级超快合成介孔-微孔石墨碳

第一作者：Huimin Zhang, Jingyi Qiu

通讯作者：张浩，李峰

通讯单位：军事科学院防化研究院、中科院金属所

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多孔碳具有优异的电子和离子传输能力，理想的多孔碳具有高比表面积和电子电导率，但是传统的制备方法要么产率低，要么碳质量差。

本研究开发了一种自下而上合成高度介孔-微孔石墨碳（MGC）的锂热方法，通过聚四氟乙烯粉末和熔融锂金属之间的自蔓延高温反应，以毫秒级速度合成了具有高度石墨化和连续开放孔结构的介-微孔碳（MGC）。

这种MGC展现了优异的电化学电容性能，包括出色的功率能力和超长期的循环稳定性。该制备过程不仅时间短、产率高，而且可扩展至工业生产水平。

图文导读

图1：通过PTFE粉末和熔融锂金属反应合成高度多孔石墨化碳的示意图。透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像显示了产品的多孔微观结构和连接的孔道，以及由多层碳层包围的纳米尺度孔洞网络。

图2：通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、电子能量损失谱（EELS）和X射线光电子能谱（XPS）对多孔石墨碳进行表征，确认其高度石墨化的结构和优异的电导率。

图3：MGC在EMIMBF4电解液中的超级电容器性能，包括循环伏安（CV）曲线、恒流充放电（GCD）曲线、比电容随电流密度变化的曲线、Nyquist图、相位角与频率的关系以及循环稳定性测试。

图4：COMSOL多物理场模拟展示了不同孔结构中电解液离子通量的分布，以及BF4−离子与具有不同缺陷的碳基面层的吸附能计算，揭示MGC中离子快速传输的机制。

总结展望

本研究展示了可扩展且超快的锂热合成过程，用于制备高度多孔、低氧含量的石墨碳。这种MGC具有相互连接的开放孔道，有助于离子在电极体内部的传输和迁移。作为超级电容器的电极材料，即使在电流密度从10.0 A/g增加到200.0 A/g时，MGC在EMIMBF4电解液中仍展现了理想的倍率性能和超过90%的电容保持率。

此外，MGC还在具有内部并联结构的袋式电池中展示了其优于商用活性炭的优势，显示出47 Wh/kgMGC的比能量和175 kW/kgMGC的比功率。该方法以超高温和固态试剂为特征，通过其他金属元素(钠、钾、镁、铝等)扩展到制造高度石墨化的多孔碳。

MGC在实际软包电池中也展现了优越的性能，与商业化活性炭电极相比具有更高的比电容和能量密度。这种通过超高温和固态反应剂制备的石墨化多孔碳的方法，为电化学能源存储和输送的实际应用提供了有前景的策略。

文献信息

标题：Sub-millisecond lithiothermal synthesis of graphitic meso–microporous carbon
期刊：Nature Communications