锯齿形构型乙炔黑，通过机械互锁效应实现长寿命锂离子电池！

【研究背景】

锂离子电池（LIBs）的能量密度与循环寿命一直是制约电动汽车和规模化储能系统发展的核心瓶颈。其中，电极在锂离子反复嵌入/脱出过程中会发生显著的体积膨胀与收缩（如硅基负极体积变化可达300%以上），导致活性物质与导电剂之间接触逐渐失效，导电网络遭到破坏，电池容量与性能快速衰减。目前传统的导电碳黑（如Super P）虽然能提供一定的导电性，但其表面光滑、结构单一，与粘合剂的结合力有限，难以应对长期循环中的机械应力。如何解决导电剂能耗高、合成时间长、难以实现精确结构控制等方面的限制，成为了一个有待突破的难题。

【文章简介】

近日，来自四川轻化工大学陈建教授团队联合成都理工大学李瑞、胡安俊研究团队合作在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上发表了一项题为Cryogenic Joule-Heating Engineered Acetylene Black for Stable Conductive Domains in Long-Life Lithium-Ion Batteries的创新成果。该工作利用低温焦耳加热技术，对普通乙炔黑进行快速热解与淬火处理，成功制备出具有锯齿形表面结构的新型导电碳黑（ZSAB）。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c09555

其核心创新点主要体现在以下几点：

（1）首创低温焦耳热合成路径，通过超快速升温（~3000 °C）与急速水淬火相结合，形成具有锯齿形边缘（~4.5 nm 深沟槽）的乙炔黑结构。这一结构不仅保留了 sp² 碳网络的连续性以维持高导电性，还显著提升了表面粗糙度与比表面积；

（2）拓扑结构增强界面机械互锁，锯齿形表面形貌通过增强与粘结剂的机械互锁效应，有效抑制了电极在循环过程中的界面剥离。微划痕测试表明，ZSAB-1100 电极的临界失效载荷达 3.054 N，较 Super P 电极提升 22.9%；

（3）协同提升电化学与循环稳定性，在 LiFePO₄ 正极中，ZSAB在0.5 C下循环 320 次后容量保持率达95.5%，优于 Super P（92%）；在硅碳负极中，ZSAB 在 1 A g⁻¹ 下循环50次后可逆容量达 702 mAh g⁻¹，远超 Super P 的 134 mAh g⁻¹。该材料同时实现了 80% 的高理论产率，比传统工艺提升了14–20%，该工作展现出了良好的前景方向。

【本文要点】

要点1：低温焦耳加热合成策略

该种新颖的低温焦耳加热合成路径采用定制反应器，能在极短时间内将反应区温度提升至约3000°C，实现对乙炔气体的超高温热解的方法。其精妙之处在于随后的急速水淬火步骤：当高温下形成的碳前驱体还未来得及通过自组织形成稳定的光滑石墨层时，便被迅速冷却至低温（~8°C），有效抑制了碳前驱体的结构弛豫与重组，从而将富含缺陷的非平衡态结构捕获并保留下来。通过精确调控热解温度（900-2500°C），可以系统地控制表面缺陷的密度和类型。最终，该方法成功制备出系列化的锯齿形结构乙炔黑（ZSAB-X），且实现了高达80%的理论质量产率，在材料利用率和可控制备方面显著优于传统工艺。

要点2：锯齿形拓扑结构特征

通过显微表征技术，清晰地揭示了ZSAB独特的几何构型。高分辨透射电镜（HRTEM）图像显示，以ZSAB-1100为代表，其颗粒边缘并非传统碳黑的平滑曲线，而是呈现出清晰的锯齿状轮廓，并伴有深度约4.5纳米的表面沟槽。这种（Zigzag形）拓扑结构带来了两大关键特性：首先，它极大地增加了材料的表面粗糙度和外比表面积（ZSAB-1100的BET比表面积为71.97 m² g⁻¹，高于Super P的59.50 m² g⁻¹）；其次，锯齿边缘的碳原子仍主要保持sp²杂化，确保了电子传导路径的连续性（电导率优于Super P）。XRD和拉曼光谱进一步证实，ZSAB-1100具有较大的晶粒尺寸和适中的缺陷密度（ID/IG），使其在结构有序性和活性界面之间达到了优异平衡。

要点3：强化电极界面机械完整性

ZSAB的表面拓扑结构直接转化为卓越的机械增强效应。其粗糙的锯齿边缘能与聚合物粘结剂（如PVDF）形成强大的机械互锁。微观划痕测试定量证明了这一点：使用ZSAB-1100的电极，其临界失效载荷（Lc1）达到3.054 N，比使用Super P的电极（2.485 N）高出22.9%。循环后的电极截面SEM分析提供了更直观的证据：经过200次充放电后，Super P电极出现了明显的活性层与铝箔集流体的分层现象；而ZSAB-1100电极则保持了完好的界面结合。

要点4：适配不同电极体系的通用稳定性优势

ZSAB构建的稳固导电网络在不同体积变化特征的电极体系中均展现出通用且卓越的性能提升能力，这直接证明了其增强界面机械完整性的核心价值。在体积膨胀剧烈的硅碳（Si-C）负极中，ZSAB-1100通过强机械互锁有效适应了大范围应力变化。作为导电添加剂，其在1 A g⁻¹电流密度下循环50次后，可逆容量高达702 mAh g⁻¹，远超同等条件下Super P的134 mAh g⁻¹，显著提升了高容量负极的循环寿命。在体积变化微小的LiFePO₄正极中，ZSAB则展现了出色的长期结构维持能力。使用ZSAB-1100的电池在0.5 C倍率下循环320次后，容量保持率高达95.5%，优于Super P的92%。同时，它在高倍率（5 C）充电下表现出更优的动力学稳定性，这得益于其导电网络在长期循环中更小的接触损耗。这一合并要点表明，无论是应对剧烈形变还是维持长期稳定，ZSAB通过强化界面结合的机制都具有普适性，使其成为一种能够广泛提升不同体系锂离子电池循环性能的高效导电剂。

要点5：多维度谱学揭示“拓扑结构-机械性能-电化学稳定性”的构效关系

为深入探究ZSAB性能提升的根源，本研究通过的多维度谱学表征，建立了从原子结构到宏观失效的完整机理链条。首先，FTIR光谱表明ZSAB-1100、ZSAB-2500与Super P的表面官能团组成无显著差异，率先将性能提升的主因锁定于物理形貌与结构。其次，拉曼光谱及其解卷积分析显示，ZSAB-1100具有更高的sp²碳含量（75.5%）与特定的缺陷特征（ID/IG比），这从电子结构和原子排列层面解释了其优异的本征导电性与界面锚定潜力。由此确立核心机制：研究通过数据分析发现了电极的力学强度（临界失效载荷 Lc1）与碳黑材料的ID/IG比值呈强正相关。这一关键关联直接证实，ZSAB独特的锯齿形拓扑（表现为更高的ID/IG比）所引发的强化机械互锁效应，是防止电极在循环中发生分层失效的根本物理机制。

【结论】

本研究提出了一种基于表面拓扑工程的策略，通过低温焦耳加热技术优化乙炔黑的微观形貌与界面结合能力。新型导电碳黑（ZSAB）的锯齿形拓扑结构和增大的比表面积有效抑制了电极循环中的界面分层，并强化了导电网络的机械互锁，显著提升了电极在长期充放电过程中的完整性。实验结果表明，基于ZSAB-1100的电极在硅碳负极和磷酸铁锂正极体系中均表现出卓越的循环稳定性与容量保持率，且其合成工艺具备高产率特征，为构筑长寿命、高稳定性锂离子电池的导电网络提供了具有实际应用前景的解决方案。

来源：材料科学与工程公众号。感谢论文作者团队支持。

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