近日，华中科技大学能源与动力工程学院储能科学与工程专业的本科生熊凯，在煤燃烧与低碳利用全国重点实验室和储能科学与工程系张雄副教授的指导下，在Wiley旗下期刊Electroanalysis上发表了一篇论文，题为“Advancements in Graphite Anodes for Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries: A Review”(锂离子和钠离子电池用石墨阳极研究进展综述)。熊凯同学担任论文的第一作者，同专业本科生戚天爽同学为第二作者，张雄副教授则担任通讯作者。华中科技大学作为唯一的作者单位。
图 1 论文发布信息
随着全球能源需求的日益增长和可再生能源技术的迅猛发展，电池技术在能源存储领域扮演着至关重要的角色。特别是在便携式电子设备和电动汽车领域，电池的性能不仅直接影响能源的有效利用，也关乎环境的可持续性发展。锂/钠离子电池因其高效率、快速响应和易于维护的特性，在储能系统中受到了广泛关注。这些电池在电动汽车（EV）和大规模电网储能系统中的应用，推动了石墨阳极材料存储性能的持续提升。
在锂离子电池领域，石墨阳极材料的进步体现在多个方面，包括通过高温和化学处理进行净化，以及机械加工成球形石墨，从而提高材料的纯度和形貌，增强电化学性能。此外，结构工程研究，如层间距扩大、多孔结构形成、掺杂和缺陷引入，有效地提高了锂离子的传输速率，进而增强了电池的充放电能力。复合材料的研究通过将石墨与硅等高容量材料结合，利用材料间的协同效应，进一步提升了电化学性能。在表面改性方面，涂层技术优化了固体电解质界面（SEI），显著提高了电池的倍率能力。电解质设计研究旨在实现石墨阳极的极速充电，提出了包括低锂离子脱溶能量、高离子电导率和形成薄而稳定的SEI在内的电解质配方指南，这些是确保快速充电而不牺牲电池寿命的关键因素。
图 2 锡参杂复合材料
转向钠离子电池研究领域，石墨负极材料的开发面临着钠离子半径较大的挑战。为了应对这些挑战，研究人员正在通过制造复合材料、改进电解质配方、应用表面改性技术和研究结构改性策略来寻找解决方案。如图2所示例，是一种石墨材料通过热处理和化学操作转变为锡复合石墨材料（SntGraphite）的方法。起始材料是层状结构的石墨，层间距为0.34纳米。在630℃的空气环境中热处理后，石墨的层间距增加到0.39纳米，这一步骤有助于增加材料的孔隙率，为后续的和化学过程做准备。接着，在900°C的氩气环境中，通过引入SnCl2进行锡复合，锡原子被添加到石墨层中，形成了锡复合的石墨结构。这种改性提高了石墨的导电性和离子传输性能，尤其是在电池等能源存储设备中，锡复合石墨材料展现出了更好的电化学性能，如电池的容量和循环稳定性。
类似这些方法通过发挥组件间的协同效应，增强了钠离子的插入容量和电池的整体性能，从而提升了电池的储能能力、充放电效率和循环寿命。
图 3 石墨结构及粒子插层
石墨材料因其卓越的物理和化学性能，长期以来一直是锂离子电池负极材料的首选。尽管石墨的各向异性和层间间距限制了其在钠离子电池中的应用潜力，但通过改性方法优化石墨负极材料对提高电池性能具有重要意义。展望未来，研究将集中在提高石墨的净化效率、降低生产成本、开发环保型净化技术，以及探索新的涂层材料和掺杂元素等创新改性方法，以进一步增强石墨在锂离子和钠离子电池中的性能。这些努力旨在推动电池技术的发展，以满足日益增长的能源存储需求，并促进环境的可持续性发展。
本文的学生作者在教师的悉心指导下，阅读综述了大量电化学储能领域的前沿刊物，理解掌握了碳电极材料相关的关键知识与前沿发展方向，并形成了详实且严谨的综述文章。据悉，该论文是能源学院储能2101班本科生发表的第二篇英文期刊论文，这一成果极大地激发了学生在今后研究生学习阶段的科研热情，展现了能源学院储能专业优秀的学科发展水平与学生培养质量。
通讯作者简介
张雄，华中科技大学副教授，获湖北省杰青，华中科技大学“学术新人”（全校10人），入选2023年、2024年美国斯坦福大学和爱思唯尔数据库发布 《年度全球前2％顶尖科学家榜单》（World’s Top 2% Scientists）。一直致力能源清洁高效利用的基础理论研究和技术开发应用，主要为多孔材料制备、改性及利用，包括：1）催化应用--太阳能利用耦合二氧化碳捕集转化、可再生能源耦合绿氢制备，2）吸附应用--气液固三态污染物捕集与脱除、化学品分离与纯化，3）储能应用--电池、超级电容器、储氢、储热等。主持国家自然科学基金、中国博士后基金等10项科研项目。发表论文80余篇，被引2300余次，授权发明专利26项（美国专利1项），参编教材1部。现任《Waste Disposal &Sustainable Energy》客座编辑，《过程工程学报》第一届青年编委，《燃料化学学报》学术编辑，中国植物营养与肥料学会-生物炭专业委员会委员，国家生态环境科技帮扶专家，国际燃烧学会、美国化学学会（ACS）等会员。
