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碳質(zhì)材料由于具有最佳的整體性能，已被公認(rèn)為鋰離子電池（LIBs）的一個(gè)有前景的負(fù)極材料家族。在各種新興的碳質(zhì)負(fù)極材料中，硬碳最近在高能LIBs方面受到了極大的關(guān)注。

硬碳最吸引人的特點(diǎn)是豐富的微晶結(jié)構(gòu)，這不僅有利于吸收更多的鋰離子，而且有利于鋰離子的嵌入和脫出。然而，由于初始庫(kù)侖效率低、初始不可逆容量大和電壓滯后等原因，硬碳材料的應(yīng)用受到了嚴(yán)重的阻礙。為解決這些實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)，人們做出了許多努力。

中科院山西煤化所陳成猛、蘇方遠(yuǎn)、清華大學(xué)張強(qiáng)等人介紹了硬碳材料的最新概況，重點(diǎn)介紹了硬碳材料的儲(chǔ)鋰原理和材料分類(lèi)，以及目前面臨的挑戰(zhàn)和潛在的解決方案。還強(qiáng)調(diào)了硬碳在下一代電池中的實(shí)際應(yīng)用前景。

作者首先總結(jié)了迄今為止之前報(bào)告中提出的硬碳結(jié)構(gòu)模型，與已知的鋰離子存儲(chǔ)機(jī)制相關(guān)。進(jìn)一步回顧了LIBs硬碳制備和優(yōu)化策略的最新進(jìn)展。這些開(kāi)創(chuàng)性的工作為在前驅(qū)體的選擇、制備參數(shù)、結(jié)構(gòu)和形態(tài)特性以及所得硬碳的電化學(xué)性能之間建立牢固的關(guān)系提供了大量的知識(shí)來(lái)源。

圖1 碳質(zhì)材料在LIBs的誕生和發(fā)展過(guò)程中的重要發(fā)現(xiàn)

然而，在硬碳的實(shí)際應(yīng)用之前，仍然面臨一些需要考慮的挑戰(zhàn)。目前硬碳負(fù)極的首效（ICE）不超過(guò)80%，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。比容量和倍率性能也不夠好，這是由于其具有無(wú)孔表面的本體結(jié)構(gòu)。

因此，要滿足硬碳在實(shí)際電池中的應(yīng)用，主要挑戰(zhàn)是如何在不放棄ICE的情況下提高可逆容量?；谏鲜隹紤]，作者介紹了精確結(jié)構(gòu)控制和實(shí)際應(yīng)用的未來(lái)戰(zhàn)略方向：

1）前體的優(yōu)化；

2）孔隙率和摻雜的優(yōu)化；

3）開(kāi)發(fā)先進(jìn)的預(yù)鋰化技術(shù)；

4）高級(jí)表征技術(shù)；

5）低電壓下的容量開(kāi)發(fā)；

6）發(fā)展快充潛力；

7）低溫充電能力。

圖2 硬碳的結(jié)構(gòu)示意圖

Hard Carbon Anodes for Next-Generation Li-Ion Batteries: Review and Perspective. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101650

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山西煤化所/清華AEM：用于下一代鋰離子電池的硬碳負(fù)極

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