一种协同阳极策略，用于实现快速且耐用的锂离子电池电容器

《Green Energy and Intelligent Transportation》：A Synergistic Anode Strategy for Fast and Durable Lithium-Ion Battery Capacitors

石墨/软碳混合阳极锂离子电池电容器设计及性能研究。采用Gr/SC复合阳极协同石墨高容量与软碳快响应特性，通过电流分布测试首次可视化双材料协同机制，揭示SC快速响应降低Gr应力，Gr稳定支撑容量。优化后的1:1混合阳极在15.6 kW kg?1下仍保持56.3 Wh kg?1能量密度，2000次循环容量保持87.9%。结构分析表明均匀分布的Gr/SC复合相态促进Li+均匀嵌入，抑制枝晶生长。

　　在当前的能源存储技术中，锂离子电池电容器（LIBC）作为一种新兴的混合储能系统，因其结合了锂离子电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度而备受关注。随着全球变暖和能源危机的加剧，推动低碳排放和实现碳中和目标已成为全球科技发展的核心议题之一。在这一背景下，LIBC展现出巨大的应用潜力，特别是在电动汽车和智能设备等领域。然而，传统LIBC的电极材料在性能上仍存在显著短板，如石墨（Gr）材料在高倍率下锂离子嵌入/脱出动力学缓慢，同时存在安全风险；而软碳（SC）虽然具备良好的速率性能和电解液相容性，但其容量较低且电压窗口较宽，限制了其在高能量密度场景中的应用。为了解决这些问题，研究人员提出了一种Gr/SC混合电极材料，通过结合两种材料的优势，实现对LIBC性能瓶颈的突破。

Gr/SC混合电极材料的设计思路源于对两种材料特性的深入理解。石墨因其高度有序的晶体结构，具有优异的导电性和较高的理论容量，是LIBC中常见的负极材料。然而，在高电流密度下，其锂离子嵌入/脱出动力学受限，导致电池在快速充放电过程中性能下降。相比之下，软碳虽然在速率性能上优于石墨，但其容量较低且在电压窗口方面存在局限。通过将两种材料按不同质量比混合，研究人员成功构建了一种兼具高容量和良好速率性能的复合电极。在实验中，通过调控Gr与SC的配比，最终在1:1的混合比例下，电极表现出最佳的综合性能。该混合电极不仅在高倍率条件下保持较高的容量，还表现出优异的循环稳定性，这使其成为下一代高性能LIBC的理想选择。

实验结果表明，Gr/SC混合电极在多个方面优于单一材料。首先，其结构特性得到了充分优化。通过扫描电子显微镜（SEM）和电流探针原子力显微镜（CP-AFM）的表征，可以观察到混合电极中Gr和SC均匀分布，形成了稳定的电子传输网络。这一结构优化显著提高了电极的导电性，并促进了锂离子在电极材料中的均匀嵌入。此外，通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析，研究人员发现混合电极的晶体结构和缺陷特征介于Gr和SC之间，这有助于提升其整体性能。同时，氮气吸附-脱附实验揭示了混合电极具有更合理的孔隙结构，有利于锂离子的快速传输和均匀分布。

在电化学性能方面，Gr/SC混合电极表现出显著的优势。通过对不同质量比的混合电极进行恒流充放电测试，发现混合电极在低倍率下具有较高的比容量，而在高倍率下则展现出更优异的容量保持率。这表明，混合电极能够在不同工作条件下实现稳定的电化学行为。同时，通过电流分布测试，研究人员首次对混合电极中的电流共享机制进行了可视化分析，发现SC在放电初期主导电流流动，而随着放电过程的进行，Gr逐渐成为主要的电流承载者。这一现象表明，SC在快速响应方面起到了关键作用，而Gr则为电极提供了主要的容量来源。这种互补效应不仅提升了LIBC的功率性能，还有效抑制了锂枝晶的形成，从而增强了电池的安全性。

为了进一步验证混合电极的动态性能，研究人员采用了分布的弛豫时间（DRT）和恒流间歇充放电技术（GITT）等方法。这些技术能够将电化学阻抗谱（EIS）转化为时间域的弛豫分布，从而揭示电极内部的动态行为。结果显示，混合电极在不同弛豫时间范围内表现出更均匀的阻抗分布，且其电荷转移阻抗（R_CT）显著低于纯Gr和纯SC电极。这表明，混合电极在锂离子传输过程中具有更低的阻力，从而提升了电化学反应的效率。此外，GITT测试进一步证实了混合电极在锂离子扩散系数（D_Li+）方面的优势，其扩散系数在多个阶段均高于纯Gr电极，这表明SC的存在显著优化了锂离子的嵌入过程。

在实际应用中，Gr/SC混合电极不仅提升了LIBC的性能，还显著改善了其安全特性。通过分析电极的电位变化，研究人员发现混合电极在高倍率下具有更高的最小电位，这有助于抑制锂枝晶的生长，从而避免内部短路等安全问题。此外，混合电极的电压窗口较窄，这不仅有利于提高电极的利用率，还能减少电解液的分解风险，进一步提升LIBC的运行安全性。实验中，混合电极在2000次循环后仍能保持87.9%的容量，远高于传统电极材料的循环稳定性，这为LIBC的长期应用提供了可靠保障。

在能量密度和功率密度方面，Gr/SC混合电极也表现出显著优势。当电流密度为0.09 kW kg?1时，混合电极的能量密度达到318.4 Wh kg?1，而当电流密度提升至15.6 kW kg?1时，其能量密度仍能保持在56.3 Wh kg?1。这一结果表明，混合电极能够在保持较高能量密度的同时，实现快速充放电能力，满足高性能储能设备的需求。此外，通过比容量测试，研究人员发现混合电极在不同电流密度下的容量保持率优于纯Gr和纯SC电极，这表明其在高倍率下仍能维持良好的电化学性能。

在实际应用测试中，研究人员组装了一款基于Gr/SC混合电极的完整LIBC，其电化学性能进一步得到了验证。该LIBC在500 mA g?1的电流密度下，经过2000次循环后仍能保持87.9%的容量，远高于传统电极材料的性能。同时，该LIBC在低倍率下表现出接近纯Gr电极的能量密度，而在高倍率下则展现出优于纯SC电极的功率密度。这种性能上的平衡，使得Gr/SC混合电极成为实现高性能、高安全性LIBC的关键材料。此外，通过Ragone图的分析，研究人员发现该LIBC的能量密度和功率密度均优于目前报道的其他LIBC体系，如使用Li?Ti?O??、Nb?O?、硬碳等作为负极材料的系统。

Gr/SC混合电极的设计不仅解决了传统电极材料的性能瓶颈，还为LIBC的发展提供了新的思路。通过结合Gr的高容量和SC的快速响应特性，混合电极在能量密度、功率密度、循环寿命和安全性方面均表现出显著优势。这一成果表明，混合电极材料在实现高性能储能系统方面具有巨大潜力，特别是在需要高功率和长循环寿命的应用场景中。此外，混合电极的结构优化和电化学行为的改进，为未来LIBC的工程化和商业化提供了坚实的技术基础。

综上所述，Gr/SC混合电极在性能和安全性方面均展现出卓越的综合表现。其在低倍率下提供高能量密度，而在高倍率下仍能保持良好的功率密度和循环稳定性。通过电流分布测试和动态电化学分析，研究人员揭示了混合电极中Gr和SC的协同作用机制，为理解LIBC的工作原理提供了重要依据。同时，该电极在抑制锂枝晶形成和电解液分解方面表现出色，进一步提升了LIBC的安全性。这些研究成果不仅为LIBC的进一步发展提供了理论支持，也为未来高性能、高安全性的储能设备设计奠定了基础。