【炭黑产业网】12月30日消息，锂离子电池的能量密度与循环寿命始终是阻碍电动汽车及规模化储能系统迈向更高质量发展的核心瓶颈。在电池充放电过程中，电极会伴随锂离子的反复嵌入与脱出产生显著体积形变，以硅基负极为例，其体积变化幅度可超300%，这一现象会导致活性物质与导电剂间的接触逐步失效，导电网络随之遭到破坏，最终引发电池容量快速下滑与性能衰减。
当前广泛应用的传统导电碳黑产品如Super P，虽能为电池提供基础导电性支撑，但受限于自身光滑的表面特性与单一的结构形态，与粘合剂的结合能力较弱，难以承受长期循环过程中产生的机械应力。此外，现有导电剂还存在能耗偏高、合成周期较长、精确结构调控难度大等诸多问题，这些技术痛点共同构成了锂离子电池性能突破的重要障碍。
据炭黑产业网了解，近日四川轻化工大学陈建教授团队联合成都理工大学李瑞、胡安俊研究团队，在导电碳黑材料研发领域取得重大创新突破，相关研究成果已发表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊。该团队创新性采用低温焦耳加热技术，对普通乙炔黑实施快速热解与淬火处理，成功制备出具备独特锯齿形表面结构的新型导电碳黑(ZSAB)，为解决上述行业难题提供了全新思路。
此次研发的核心创新点集中体现在五个关键方面。在合成工艺上，团队首创低温焦耳热合成路径，通过超快速升温至约3000°C与急速水淬火相结合的方式，构建出具有锯齿形边缘(沟槽深度约4.5 nm)的乙炔黑结构。该结构既保留了sp²碳网络的连续性以保障高导电性，又大幅提升了材料表面粗糙度与比表面积，同时通过精确调控900-2500°C的热解温度，可实现表面缺陷密度与类型的系统控制，最终制备出系列化锯齿形结构乙炔黑(ZSAB-X)，理论质量产率高达80%，较传统工艺提升14-20个百分点。
显微表征技术清晰揭示了ZSAB的独特几何构型，以ZSAB-1100为典型代表，其颗粒边缘并非传统碳黑的平滑曲线，而是呈现清晰的锯齿状轮廓。这种拓扑结构带来双重关键优势，一方面显著增加了材料表面粗糙度与外比表面积，ZSAB-1100的BET比表面积达71.97 m² g⁻¹，高于Super P的59.50 m² g⁻¹;另一方面，锯齿边缘碳原子主要保持sp²杂化状态，确保电子传导路径的连续性，电导率表现优于传统产品。XRD与拉曼光谱测试进一步证实，ZSAB-1100具备较大晶粒尺寸与适中缺陷密度(ID/IG)，在结构有序性与活性界面间实现了优异平衡。
在机械性能提升方面，ZSAB的表面拓扑结构直接转化为卓越的界面机械增强效应。其粗糙的锯齿边缘可与PVDF等聚合物粘结剂形成牢固的机械互锁。微观划痕测试数据定量验证了这一优势：采用ZSAB-1100的电极，临界失效载荷(Lc1)达到3.054 N，较使用Super P的电极(2.485 N)提升22.9%。循环后的电极截面SEM分析更直观显示，经过200次充放电循环，Super P电极出现明显的活性层与铝箔集流体分层现象，而ZSAB-1100电极则始终保持完好的界面结合状态。
值得关注的是，ZSAB构建的稳固导电网络在不同体积变化特征的电极体系中均展现出通用且卓越的性能提升能力。在体积膨胀剧烈的硅碳(Si-C)负极中，ZSAB-1100凭借强机械互锁效应有效适应大范围应力变化，作为导电添加剂时，在1 A g⁻¹电流密度下循环50次后，可逆容量高达702 mAh g⁻¹，远超同等条件下Super P的134 mAh g⁻¹;在体积变化微小的LiFePO₄正极中，使用ZSAB-1100的电池在0.5 C倍率下循环320次后，容量保持率达95.5%，优于Super P的92%，同时在5 C高倍率充电下展现出更优的动力学稳定性。
为厘清性能提升的核心机理，研究团队通过多维度谱学表征建立了从原子结构到宏观失效的完整机理链条。FTIR光谱测试表明，ZSAB-1100、ZSAB-2500与Super P的表面官能团组成无显著差异，排除了化学组分对性能的主导影响，将核心原因锁定于物理形貌与结构差异。拉曼光谱及解卷积分析显示，ZSAB-1100具有更高的sp²碳含量(75.5%)与特定缺陷特征。进一步数据分析发现，电极力学强度(临界失效载荷Lc1)与碳黑材料的ID/IG比值呈强正相关，证实ZSAB独特锯齿形拓扑引发的强化机械互锁效应，是防止电极循环分层失效的根本物理机制。
综上，该研究提出了基于表面拓扑工程的导电碳黑优化策略，通过低温焦耳加热技术成功调控乙炔黑的微观形貌与界面结合能力。新型导电碳黑(ZSAB)的锯齿形拓扑结构与增大的比表面积，有效抑制了电极循环过程中的界面分层，强化了导电网络的机械互锁性能，显著提升了电极在长期充放电过程中的结构完整性。加之其合成工艺具备高产率优势，该成果为构筑长寿命、高稳定性锂离子电池导电网络提供了具有实际应用前景的解决方案，有望推动锂离子电池产业在关键材料领域实现技术升级。
