橡树岭国家实验室ACS Appl. Mater. Interfaces: 通过低温电化学石墨化将生物质衍生碳低成本转化为高性能纳米石墨

雨辰

2021-01-17

石墨是储能设备的重要组成部分，传统上是通过约3300 K的能量密集型热过程（Acheson工艺）合成的。但是，这种石墨在快速充电条件下的电池性能极差，而这被认为是推动电动汽车达到下一个水平的必要条件。

有鉴于此，橡树岭国家实验室戴胜教授和Bishnu P. Thapaliya等人，已经证明了低温电化学转化方法可提供高度结晶的纳米石墨，该石墨具有调节层间间距以增强850°C熔融盐中锂扩散动力学的能力。

本文要点

1）为了获得具有高表面积的高结晶度石墨，使用熔融氯化钙中的阴极极化电势将源自生物质（椰子废物）的活性炭进行电化学石墨化。该策略的本质在于在较低的温度下，有效地电催化将碳转化为石墨，大大提高了节能，降低了成本，缩短了合成时间，取代了传统的石墨合成。

2）策略的本质在于从碳前驱体表面进行电脱氧，然后碳原子进行长距离重排，从而将无定形结构转变为高度定向的纳米片状结构。石墨的合成带来了高纯度，具有高度石墨化的结晶度（I_D/I_G = 0.2，G = 0.82），以及由大约60个石墨烯层组成的高度有序的石墨纳米片结构。

3）生成的石墨显示出高纯度，结晶度，高石墨化度和纳米片状结构，这些都确保了锂在纳米片中的快速扩散动力学(约2.0×10-8 cm2 s^-1)，具有增强的速率能力和长期循环稳定性（1000次循环约200 mA h g^-1）。

总之，该工作为利用生物质工业生产石墨提供了一条可能的途径，既可以降低石墨的成本，又可以保护环境。

参考文献：

Bishnu P. Thapaliya et al. Low-Cost Transformation of Biomass-Derived Carbon to High-Performing Nano-graphite via Low-Temperature Electrochemical Graphitization. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021.

DOI: 10.1021/acsami.0c19395

https://doi.org/10.1021/acsami.0c19395