2023年陳成猛研究員團隊圍繞儲能和功能炭材料開展研究工作，主要聚焦于電化學儲能器件（鈉離子電池、鋰離子電池和超級電容器）和熱管理兩個方向。相關精選成果如下，文末見簡介。

1.LiDFBOP助力LiPF₆基局部高濃度電解液提升鋰離子電池低溫性能

鋰離子電池在低溫環境下，電池界面離子傳輸受阻，界面阻抗和界面極化導致電池容量急劇下降，限制了其在高海拔或高緯度地區以及某些國防和空間的實際應用。電解液作為鋰離子電池的核心組成之一，不僅決定了Li⁺在液相中的遷移速率，同時還參與SEI膜形成，是緩解動力電池在低溫環境下性能衰減的關鍵。而理想的電解液應具有高的離子電導率、低的鋰離子去溶劑化能和良好的成膜能力，且形成的SEI膜應該有較低的電阻。

鑒于此，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員、蘇方遠研究員和中國科學院空天信息創新研究院徐國寧研究員等人設計了一種基于LiPF₆的局部高濃度電解液來改善鋰離子電池的低溫性能，同時將添加劑LiDFBOP引入到局部高濃電解液中，用于調控SEI膜的形成。局部高濃度電解液的設計有效提高了Li⁺的電導率，而LiDFBOP的引入促進了低界面阻抗SEI膜的形成，保證了基于LiPF₆局部高濃電解液的正常運行。此外，還探討了局部高濃電解液中鋰離子脫溶劑動力學對低溫性能的影響。宋歌博士和易宗琳博士為論文的共同第一作者。

原文鏈接：Boosting the Low-Temperature Performance for Li-Ion Batteries in LiPF₆-Based Local High-Concentration Electrolyte, 2023,?ACS Energy Letters,?

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c02903

2.氮摻雜多孔炭的溶劑吸附效應對電化學雙電層結構影響

氮摻雜已被證實是一種提高多孔炭電化學性質的有效手段，可以增強多孔炭作為超級電容器電極材料時的儲能性能。然而，傳統的電化學方法僅僅提供多孔炭電極反應的宏觀信息,難以展示分子尺度的結構和界面傳遞機理。對氮摻雜引起EDL結構變化的有限理解，極大阻礙了我們對結構-性能關系的深入了解和對高性能材料的合理設計。

基于此，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員和蘇方遠研究員等人首次通過電化學石英晶體微天平、原位X射線光電子能譜和飛行時間二次離子質譜深入解析了電化學操作內EDL的質量和化學成分變化。結果發現氮摻雜引發了內亥姆霍茲面（IHP）對碳酸丙烯酯溶劑的特異性吸附，阻止了離子的重排、增強了陽離子的遷移，從而提升了其比容量。然而，這種特定吸附加速了溶劑的分解，使實際器件的性能迅速下降。這項工作為N摻雜對EDL結構和電化學性能的影響提供了新的見解。補充了經典GCS理論中被忽視的溶劑特異性吸附，擴展了其在更多實際條件下的適用性，并為各種電化學應用提供有效指導。此外，本工作中使用的EQCM與電化學原位XPS方法相結合，廣泛適用于其它電化學體系的研究。論文第一作者是王哲帆博士。

原文鏈接：Effect of N-doping-derived solvent adsorption on electrochemical double layer structure and performance of porous carbon, 2023,?Journal of Energy Chemistry,?

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.12.061

3.高壓下超級電容器產氣機制的全景展現

在高電壓服役過程中，超級電容器內部容易產氣，導致其內壓過高、防爆閥打開，器件內部結構與空氣接觸進一步加速其失效進程。因此，全面了解超級電容器在高電壓服役過程中氣體產生機制，對于提升其服役壽命至關重要。

基于此，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員和蘇方遠研究員等人基于商用乙腈基超級電容器作為研究對象，探究其在高電壓下氣體的起源及演化路徑。結合氣體拉曼光譜、掃描電子顯微鏡、X射線光電子能譜及第一性原理計算，系統分析了氣體成分與超級電容器內部關鍵部件（電極材料、集流體和電解液）失效行為之間的關系。結果表明，氣體主要來源于體系內殘留水和電極表面含氧官能團（尤其是羥基和羧基）的分解，而且所涉及到的副反應會直接導致內部關鍵部件的損壞，如電極孔隙堵塞、集流體腐蝕和電解液分解。本研究對產氣過程在超級電容器失效行為中的作用提供了全面的見解，對提升超級電容器在高電壓下的長期服役性能具有重要的指導意義。博士研究生孫倩和易宗琳博士是論文的共同第一作者。

原文鏈接：Whole Landscape of the Origin and Evolution of Gassing in Supercapacitors at a High Voltage, 2023, ACS Applied Materials & Interfaces, https://doi.org/10.1021/acsami.3c10948

4.調控交聯瀝青中氧官能團構型以優化硬炭的儲鈉性能

瀝青作為石化或煤焦化副產物，具有碳含量高、芳香結構發達且價格低廉、資源豐富等優勢，在低成本制備高性能硬炭負極材料方面具有很大的潛力。然而，瀝青高的芳香性，炭化過程中分子間強的π-π共軛作用促進了碳層面堆疊層錯的消除，使得相鄰碳六角平面網狀層呈有序排列，層面間距逐漸減小，所制瀝青基炭材料展示軟炭結構特征。盡管有研究已經證實由含氧官能團構成的網狀交聯結構能抑制瀝青的重排，從而生成無序的硬炭，提高鈉離子電化學性能。但是，不同官能團構型在炭化過程中對硬炭結構的形成的作用機制依然不清晰。

基于此，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員、謝莉婧副研究員和中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室楊帆教授等人合作，以石油瀝青為起點，探究了交聯結構中含氧官能團構型對瀝青基硬炭結構演變的作用，建立了瀝青前體官能團-硬炭-鈉離子電化學性能三位一體的構效關系。研究表明由于較低溫度下內部芳環熱運動（滑動）小，所形成的C-O構型主要促進了炭層平面間的交聯；而C(O)-O構型由于其空間效應利于3D交聯結構的形成。相比之下，以C(O)-O構型為主導的交聯瀝青，熱化學轉變過程中在空間上極大阻礙了芳香分子的層狀取向和芳香層生長，促使瀝青基炭結構中更多閉孔和超微孔的形成，顯著提升了平臺區儲鈉容量。這項工作不僅有利于瀝青基硬炭的高效制備，更為其他硬炭前驅體的調控提供了見解。論文的第一作者是碩士研究生徐冉。

原文鏈接：Boosting sodium storage performance of hard carbons by regulating oxygen functionalities of the cross-linked asphalt precursor, 2023,?Carbon,?https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.02.004

?5.多糖類/芳香類前驅體耦合炭化提升硬炭中鈉離子擴散動力學

硬炭具有大的層間距，并伴有孔隙、缺陷和閉孔等特殊結構，可為大尺寸的鈉離子提供層間嵌入、表面和微孔吸附等多重存儲位點，被認為是最具有應用前景的鈉離子電池負極材料。其中，封閉孔隙對硬炭負極的低電位平臺區容量起著關鍵作用。通常情況下，硬炭中的閉孔是由高度無序的炭層、贗石墨化結構或類石墨化結構包圍而成，炭化溫度是影響閉孔形成的重要的因素。然而，由于前驅體和制備方式的多樣性，硬炭的微觀結構相當復雜，調控閉孔結構的有效方式和實現鈉離子向閉孔擴散的機理尚不清楚。

基于此，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員和謝莉婧副研究員等人報道了以芳構化木質素與酯雜環型淀粉為碳源，通過耦合炭化策略，實現了硬炭微觀結構的可控調控，建立了獨特的硬炭結構模型。結果表明芳香族組分傾向于形成缺陷少、層間距大、閉孔體積小的無序炭；而酯雜環組分傾向于形成缺陷多、層間距小、閉孔體積大的無序炭。進一步系統探究了硬炭微觀結構特征與0.1 V以下儲鈉容量的相關性，發現鈉離子嵌入容量與贗石墨化結構的比例成正比，而低電位下的填孔容量，由于同離子斥力作用，隨著缺陷濃度的增加而逐漸減小，與短程有序微晶和閉孔體積無線性相關性。優化后的樣品具有合適的層間距和缺陷濃度，其平臺容量達到241.7 mAh/g，為硬炭微觀結構的優化以及平臺區容量的開發提供了新見解。論文第一作者是博士研究生宋明信。

原文鏈接：New insights into the effect of hard carbons microstructure on the diffusion of sodium ions into closed pores，Chinese Chemical Letters， https://doi.org/10.1016/j.cclet.2023.109266

6.碳納米管包覆多孔N摻雜碳十二面體中La-Fe雙金屬增強氧還原反應

鋅-空氣電池由于其高理論能量密度、固有的安全性、豐富的鋅礦石、低成本以及環境友好等優勢，被認為是電動汽車和大規模電能存儲最有前景的能源存儲裝置。氧還原反應(ORR)對鋅-空氣電池的充放電過程至關重要，但ORR所涉及的緩慢動力學和多個復雜過程需要具有高活性和耐用性的電催化劑來滿足其實際應用。

基于此，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員、劉燕珍副研究員和太原理工大學李永鋒副教授等人合作，通過簡單的直接共炭化合成了穩定在N摻雜多孔碳十二面體中的La-Fe雙金屬納米顆粒催化劑（La-Fe/NC）。由碳納米管產生的中孔和樹枝狀外層，形成了高導電網絡，促進了ORR過程中電子轉移和質量傳輸。在堿性介質中，La-Fe/NC表現出最高的ORR催化活性，半波電位（E_1/2）為0.879 V（相對于RHE，Pt/C為0.845 V）。在5000次循環后，La-Fe/NC催化劑的E_1/2僅降低了7 mV，并且其在穩定性測試和甲醇耐受性測試中的性能優于Pt/C。當用作鋅空氣電池中的空氣電極時，La-Fe/NC催化劑表現出755mAh/g的優異比容量和179.8 mW的峰值功率密度。論文的第一作者是碩士研究生周易。

原文鏈接：Enhanced oxygen reduction reaction on La-Fe bimetal in porous N-doped carbon dodecahedra with CNTs wrapping,?2024,?Chinese Chemical Letters?,https://doi.org/10.1016/j.cclet.2024.109569

7.揭示碳納米管對石墨烯膜導熱性能的本質影響機制

石墨烯膜因其超高的熱導率、輕質、柔韌性和抗腐蝕性等特點，被廣泛應用在電子設備的熱管理中。特別是高熱通量的集成器件，迫切需要具有更高熱導率的石墨烯膜。石墨烯熱導率的增強需要構建更多熱傳導通路。目前，普遍認為通過添加碳納米管、碳纖維和纖維素等一維材料，可以進一步增強石墨烯膜的熱傳導路徑。其中，碳納米管因其固有的高熱導率而常被用作填充劑來增加熱通路。但碳納米管的引入對石墨烯膜熱導率的影響機制尚不明確。

基于此，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員和孔慶強副研究員等人對石墨烯/碳納米管微觀結構以及熱導率的演變規律進行了細致的研究。結果發現在高溫下，碳納米管與石墨烯片層之間-C=C鍵的形成，加劇了聲子的散射，阻礙了面內熱導率的提升。提出碳納米管與石墨烯片層之間形成的共價鍵是影響石墨烯膜面內熱導率的關鍵因素。同時發現碳納米管的加入可以在縱向提供更多的熱傳導的通路。這一項工作為碳納米管對熱導率的影響機理提供了深入認識。碩士研究生邢玉澤和李孟是本文的共同第一作者。

原文鏈接：Revealing the Essential?Effect Mechanism?of Carbon Nanotubes?on The Thermal Conductivity of Graphene Film,?2024,?Journal of Materials Chemistry C, https://doi.org/10.1039/D3TC03840H