【炭黑產業網】12月30日消息，鋰離子電池的能量密度與循環壽命始終是阻礙電動汽車及規模化儲能系統邁向更高質量發展的核心瓶頸。在電池充放電過程中，電極會伴隨鋰離子的反復嵌入與脫出產生顯著體積形變，以硅基負極為例，其體積變化幅度可超300%，這一現象會導致活性物質與導電劑間的接觸逐步失效，導電網絡隨之遭到破壞，最終引發電池容量快速下滑與性能衰減。
當前廣泛應用的傳統導電碳黑產品如Super P，雖能為電池提供基礎導電性支撐，但受限于自身光滑的表面特性與單一的結構形態，與粘合劑的結合能力較弱，難以承受長期循環過程中產生的機械應力。此外，現有導電劑還存在能耗偏高、合成周期較長、精確結構調控難度大等諸多問題，這些技術痛點共同構成了鋰離子電池性能突破的重要障礙。
據炭黑產業網了解，近日四川輕化工大學陳建教授團隊聯合成都理工大學李瑞、胡安俊研究團隊，在導電碳黑材料研發領域取得重大創新突破，相關研究成果已發表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊。該團隊創新性采用低溫焦耳加熱技術，對普通乙炔黑實施快速熱解與淬火處理，成功制備出具備獨特鋸齒形表面結構的新型導電碳黑(ZSAB)，為解決上述行業難題提供了全新思路。
此次研發的核心創新點集中體現在五個關鍵方面。在合成工藝上，團隊首創低溫焦耳熱合成路徑，通過超快速升溫至約3000°C與急速水淬火相結合的方式，構建出具有鋸齒形邊緣(溝槽深度約4.5 nm)的乙炔黑結構。該結構既保留了sp2碳網絡的連續性以保障高導電性，又大幅提升了材料表面粗糙度與比表面積，同時通過精確調控900-2500°C的熱解溫度，可實現表面缺陷密度與類型的系統控制，最終制備出系列化鋸齒形結構乙炔黑(ZSAB-X)，理論質量產率高達80%，較傳統工藝提升14-20個百分點。
顯微表征技術清晰揭示了ZSAB的獨特幾何構型，以ZSAB-1100為典型代表，其顆粒邊緣并非傳統碳黑的平滑曲線，而是呈現清晰的鋸齒狀輪廓。這種拓撲結構帶來雙重關鍵優勢，一方面顯著增加了材料表面粗糙度與外比表面積，ZSAB-1100的BET比表面積達71.97 m2 g?1，高于Super P的59.50 m2 g?1;另一方面，鋸齒邊緣碳原子主要保持sp2雜化狀態，確保電子傳導路徑的連續性，電導率表現優于傳統產品。XRD與拉曼光譜測試進一步證實，ZSAB-1100具備較大晶粒尺寸與適中缺陷密度(ID/IG)，在結構有序性與活性界面間實現了優異平衡。
在機械性能提升方面，ZSAB的表面拓撲結構直接轉化為卓越的界面機械增強效應。其粗糙的鋸齒邊緣可與PVDF等聚合物粘結劑形成牢固的機械互鎖。微觀劃痕測試數據定量驗證了這一優勢：采用ZSAB-1100的電極，臨界失效載荷(Lc1)達到3.054 N，較使用Super P的電極(2.485 N)提升22.9%。循環后的電極截面SEM分析更直觀顯示，經過200次充放電循環，Super P電極出現明顯的活性層與鋁箔集流體分層現象，而ZSAB-1100電極則始終保持完好的界面結合狀態。
值得關注的是，ZSAB構建的穩固導電網絡在不同體積變化特征的電極體系中均展現出通用且卓越的性能提升能力。在體積膨脹劇烈的硅碳(Si-C)負極中，ZSAB-1100憑借強機械互鎖效應有效適應大范圍應力變化，作為導電添加劑時，在1 A g?1電流密度下循環50次后，可逆容量高達702 mAh g?1，遠超同等條件下Super P的134 mAh g?1;在體積變化微小的LiFePO?正極中，使用ZSAB-1100的電池在0.5 C倍率下循環320次后，容量保持率達95.5%，優于Super P的92%，同時在5 C高倍率充電下展現出更優的動力學穩定性。
為厘清性能提升的核心機理，研究團隊通過多維度譜學表征建立了從原子結構到宏觀失效的完整機理鏈條。FTIR光譜測試表明，ZSAB-1100、ZSAB-2500與Super P的表面官能團組成無顯著差異，排除了化學組分對性能的主導影響，將核心原因鎖定于物理形貌與結構差異。拉曼光譜及解卷積分析顯示，ZSAB-1100具有更高的sp2碳含量(75.5%)與特定缺陷特征。進一步數據分析發現，電極力學強度(臨界失效載荷Lc1)與碳黑材料的ID/IG比值呈強正相關，證實ZSAB獨特鋸齒形拓撲引發的強化機械互鎖效應，是防止電極循環分層失效的根本物理機制。
綜上，該研究提出了基于表面拓撲工程的導電碳黑優化策略，通過低溫焦耳加熱技術成功調控乙炔黑的微觀形貌與界面結合能力。新型導電碳黑(ZSAB)的鋸齒形拓撲結構與增大的比表面積，有效抑制了電極循環過程中的界面分層，強化了導電網絡的機械互鎖性能，顯著提升了電極在長期充放電過程中的結構完整性。加之其合成工藝具備高產率優勢，該成果為構筑長壽命、高穩定性鋰離子電池導電網絡提供了具有實際應用前景的解決方案，有望推動鋰離子電池產業在關鍵材料領域實現技術升級。
