【炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)】12月30日消息，鋰離子電池的能量密度與循環(huán)壽命始終是阻礙電動汽車及規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)邁向更高質(zhì)量發(fā)展的核心瓶頸。在電池充放電過程中，電極會伴隨鋰離子的反復嵌入與脫出產(chǎn)生顯著體積形變，以硅基負極為例，其體積變化幅度可超300%，這一現(xiàn)象會導致活性物質(zhì)與導電劑間的接觸逐步失效，導電網(wǎng)絡(luò)隨之遭到破壞，最終引發(fā)電池容量快速下滑與性能衰減。

當前廣泛應用的傳統(tǒng)導電碳黑產(chǎn)品如Super P，雖能為電池提供基礎(chǔ)導電性支撐，但受限于自身光滑的表面特性與單一的結(jié)構(gòu)形態(tài)，與粘合劑的結(jié)合能力較弱，難以承受長期循環(huán)過程中產(chǎn)生的機械應力。此外，現(xiàn)有導電劑還存在能耗偏高、合成周期較長、精確結(jié)構(gòu)調(diào)控難度大等諸多問題，這些技術(shù)痛點共同構(gòu)成了鋰離子電池性能突破的重要障礙。

據(jù)炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)了解，近日四川輕化工大學陳建教授團隊聯(lián)合成都理工大學李瑞、胡安俊研究團隊，在導電碳黑材料研發(fā)領(lǐng)域取得重大創(chuàng)新突破，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊。該團隊創(chuàng)新性采用低溫焦耳加熱技術(shù)，對普通乙炔黑實施快速熱解與淬火處理，成功制備出具備獨特鋸齒形表面結(jié)構(gòu)的新型導電碳黑(ZSAB)，為解決上述行業(yè)難題提供了全新思路。

此次研發(fā)的核心創(chuàng)新點集中體現(xiàn)在五個關(guān)鍵方面。在合成工藝上，團隊首創(chuàng)低溫焦耳熱合成路徑，通過超快速升溫至約3000°C與急速水淬火相結(jié)合的方式，構(gòu)建出具有鋸齒形邊緣(溝槽深度約4.5 nm)的乙炔黑結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)既保留了sp2碳網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性以保障高導電性，又大幅提升了材料表面粗糙度與比表面積，同時通過精確調(diào)控900-2500°C的熱解溫度，可實現(xiàn)表面缺陷密度與類型的系統(tǒng)控制，最終制備出系列化鋸齒形結(jié)構(gòu)乙炔黑(ZSAB-X)，理論質(zhì)量產(chǎn)率高達80%，較傳統(tǒng)工藝提升14-20個百分點。

顯微表征技術(shù)清晰揭示了ZSAB的獨特幾何構(gòu)型，以ZSAB-1100為典型代表，其顆粒邊緣并非傳統(tǒng)碳黑的平滑曲線，而是呈現(xiàn)清晰的鋸齒狀輪廓。這種拓撲結(jié)構(gòu)帶來雙重關(guān)鍵優(yōu)勢，一方面顯著增加了材料表面粗糙度與外比表面積，ZSAB-1100的BET比表面積達71.97 m2 g?1，高于Super P的59.50 m2 g?1;另一方面，鋸齒邊緣碳原子主要保持sp2雜化狀態(tài)，確保電子傳導路徑的連續(xù)性，電導率表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)產(chǎn)品。XRD與拉曼光譜測試進一步證實，ZSAB-1100具備較大晶粒尺寸與適中缺陷密度(ID/IG)，在結(jié)構(gòu)有序性與活性界面間實現(xiàn)了優(yōu)異平衡。

在機械性能提升方面，ZSAB的表面拓撲結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)化為卓越的界面機械增強效應。其粗糙的鋸齒邊緣可與PVDF等聚合物粘結(jié)劑形成牢固的機械互鎖。微觀劃痕測試數(shù)據(jù)定量驗證了這一優(yōu)勢：采用ZSAB-1100的電極，臨界失效載荷(Lc1)達到3.054 N，較使用Super P的電極(2.485 N)提升22.9%。循環(huán)后的電極截面SEM分析更直觀顯示，經(jīng)過200次充放電循環(huán)，Super P電極出現(xiàn)明顯的活性層與鋁箔集流體分層現(xiàn)象，而ZSAB-1100電極則始終保持完好的界面結(jié)合狀態(tài)。

值得關(guān)注的是，ZSAB構(gòu)建的穩(wěn)固導電網(wǎng)絡(luò)在不同體積變化特征的電極體系中均展現(xiàn)出通用且卓越的性能提升能力。在體積膨脹劇烈的硅碳(Si-C)負極中，ZSAB-1100憑借強機械互鎖效應有效適應大范圍應力變化，作為導電添加劑時，在1 A g?1電流密度下循環(huán)50次后，可逆容量高達702 mAh g?1，遠超同等條件下Super P的134 mAh g?1;在體積變化微小的LiFePO?正極中，使用ZSAB-1100的電池在0.5 C倍率下循環(huán)320次后，容量保持率達95.5%，優(yōu)于Super P的92%，同時在5 C高倍率充電下展現(xiàn)出更優(yōu)的動力學穩(wěn)定性。

為厘清性能提升的核心機理，研究團隊通過多維度譜學表征建立了從原子結(jié)構(gòu)到宏觀失效的完整機理鏈條。FTIR光譜測試表明，ZSAB-1100、ZSAB-2500與Super P的表面官能團組成無顯著差異，排除了化學組分對性能的主導影響，將核心原因鎖定于物理形貌與結(jié)構(gòu)差異。拉曼光譜及解卷積分析顯示，ZSAB-1100具有更高的sp2碳含量(75.5%)與特定缺陷特征。進一步數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，電極力學強度(臨界失效載荷Lc1)與碳黑材料的ID/IG比值呈強正相關(guān)，證實ZSAB獨特鋸齒形拓撲引發(fā)的強化機械互鎖效應，是防止電極循環(huán)分層失效的根本物理機制。

綜上，該研究提出了基于表面拓撲工程的導電碳黑優(yōu)化策略，通過低溫焦耳加熱技術(shù)成功調(diào)控乙炔黑的微觀形貌與界面結(jié)合能力。新型導電碳黑(ZSAB)的鋸齒形拓撲結(jié)構(gòu)與增大的比表面積，有效抑制了電極循環(huán)過程中的界面分層，強化了導電網(wǎng)絡(luò)的機械互鎖性能，顯著提升了電極在長期充放電過程中的結(jié)構(gòu)完整性。加之其合成工藝具備高產(chǎn)率優(yōu)勢，該成果為構(gòu)筑長壽命、高穩(wěn)定性鋰離子電池導電網(wǎng)絡(luò)提供了具有實際應用前景的解決方案，有望推動鋰離子電池產(chǎn)業(yè)在關(guān)鍵材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)升級。