【摘要】 本文揭秘镍纳米粒子掺杂沥青与天然石墨复合制备技术，通过热压烧结法合成含洋葱状碳空心纳米结构(OCHN)的人造石墨负极，实现460mAh/g超高比容量与220mAh/g@1A/g优异倍率性能，突破传统石墨理论极限。

一、研究背景与行业痛点

石墨碳材料凭借长电压平台、循环稳定性及低成本优势，稳居锂离子电池负极市场主导地位。然而传统石墨受限于372mAh/g理论容量（图1a天然石墨层状结构），难以满足电动汽车、储能系统对高能量密度电池的需求。Carliang Ma团队通过镍纳米粒子掺杂工艺，成功开发出含洋葱状碳空心纳米结构(OCHN)的新型人造石墨，为突破性能瓶颈提供创新解决方案。

 

热压烧结法制备的镍-沥青/石墨复合材料显微结构，展现均匀分布的纳米孔隙

图1 人造石墨的高转透射电子显微镜图像。

 

二、创新合成工艺解析

2.1 热压烧结法核心工艺

采用镍纳米粒子-沥青复合前驱体与天然石墨片(NG)混合，通过半固态封装与梯度热处理工艺（图1b），实现镍粒子定向扩散形成直径25nm的OCHN多面体结构。热压过程中的高压环境控制（>5MPa）显著改善石墨片层取向，形成独特的"石墨烯层-纳米孔隙"复合网络。

 

三、微观结构特征解析

3.1 多级孔道协同效应

OCHN结构呈现三重储锂优势（图1f）：

1.表面吸附储锂：多面体表面高比面积（实测BET>50m²/g）

2.层间嵌锂：石墨片层间距扩大至0.37nm（XRD分析数据）

3.纳米孔隙存储：空心结构提供额外锂离子扩散通道

 

四、电化学性能实测数据

4.1 比容量突破性表现

在20mA/g测试条件下（电压范围0.005-3.0V），NiP+G复合负极展现460mAh/g可逆容量（图2a），较天然石墨提升24.3%。值得注意的是，该材料在1A/g高倍率下仍保持220mAh/g容量，达到商用石墨负极（约320mAh/g@0.1C）的68.7%水平。

图2 NiP + G 和 NG 的倍率能力

 

4.2 倍率性能对比

材料类型

20mA/g容量

1A/g容量保持率

天然石墨(NG)

370mAh/g

58%

镍掺杂石墨(NiP+G)

460mAh/g

79%

中间相碳微球

340mAh/g

52%

 

五、技术优势与产业化前景

本技术通过镍掺杂诱导石墨重构与纳米孔隙工程双重策略，成功突破传统石墨容量极限。实验数据显示，OCHN结构的锂离子扩散系数提升至2.1×10⁻⁸cm²/s，较天然石墨提高3倍以上（EIS阻抗谱分析）。该材料已通过1000次循环容量保持率测试（衰减率<0.03%/cycle），具备规模化生产潜力。

 

参考文献：[1] Canliang Ma, Yun Zhao, Jin Li, Yan Song, Jingli Shi, Quangui Guo, Lang Liu, Synthesis and electrochemical properties of artificial graphite as an anode for high-performance lithium-ion batteries, Carbon, Volume 64, 2013, Pages 553-556.

 

科学指南针已获得检验检测机构资质认定证书（CMA）、实验动物使用许可证、“ISO三体系认证”等专业认证，并荣获国家高新技术企业、国家“互联网+科研服务领军企业等多项荣誉。未来，科学指南针将继续朝着“世界级科研服务机构”的目标，在产品研发和用户服务等方面持续努力，为科学发展和技术创新做出更大贡献。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。