2023年陈成猛研究员团队围绕储能和功能炭材料开展研究工作，主要聚焦于电化学储能器件（钠离子电池、锂离子电池和超级电容器）和热管理两个方向。相关精选成果如下，文末见简介。

1.LiDFBOP助力LiPF₆基局部高浓度电解液提升锂离子电池低温性能

锂离子电池在低温环境下，电池界面离子传输受阻，界面阻抗和界面极化导致电池容量急剧下降，限制了其在高海拔或高纬度地区以及某些国防和空间的实际应用。电解液作为锂离子电池的核心组成之一，不仅决定了Li⁺在液相中的迁移速率，同时还参与SEI膜形成，是缓解动力电池在低温环境下性能衰减的关键。而理想的电解液应具有高的离子电导率、低的锂离子去溶剂化能和良好的成膜能力，且形成的SEI膜应该有较低的电阻。

鉴于此，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员、苏方远研究员和中国科学院空天信息创新研究院徐国宁研究员等人设计了一种基于LiPF₆的局部高浓度电解液来改善锂离子电池的低温性能，同时将添加剂LiDFBOP引入到局部高浓电解液中，用于调控SEI膜的形成。局部高浓度电解液的设计有效提高了Li⁺的电导率，而LiDFBOP的引入促进了低界面阻抗SEI膜的形成，保证了基于LiPF₆局部高浓电解液的正常运行。此外，还探讨了局部高浓电解液中锂离子脱溶剂动力学对低温性能的影响。宋歌博士和易宗琳博士为论文的共同第一作者。

原文链接：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.氮掺杂多孔炭的溶剂吸附效应对电化学双电层结构影响

氮掺杂已被证实是一种提高多孔炭电化学性质的有效手段，可以增强多孔炭作为超级电容器电极材料时的储能性能。然而，传统的电化学方法仅仅提供多孔炭电极反应的宏观信息,难以展示分子尺度的结构和界面传递机理。对氮掺杂引起EDL结构变化的有限理解，极大阻碍了我们对结构-性能关系的深入了解和对高性能材料的合理设计。

基于此，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员和苏方远研究员等人首次通过电化学石英晶体微天平、原位X射线光电子能谱和飞行时间二次离子质谱深入解析了电化学操作内EDL的质量和化学成分变化。结果发现氮掺杂引发了内亥姆霍兹面（IHP）对碳酸丙烯酯溶剂的特异性吸附，阻止了离子的重排、增强了阳离子的迁移，从而提升了其比容量。然而，这种特定吸附加速了溶剂的分解，使实际器件的性能迅速下降。这项工作为N掺杂对EDL结构和电化学性能的影响提供了新的见解。补充了经典GCS理论中被忽视的溶剂特异性吸附，扩展了其在更多实际条件下的适用性，并为各种电化学应用提供有效指导。此外，本工作中使用的EQCM与电化学原位XPS方法相结合，广泛适用于其它电化学体系的研究。论文第一作者是王哲帆博士。

原文链接：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.高压下超级电容器产气机制的全景展现

在高电压服役过程中，超级电容器内部容易产气，导致其内压过高、防爆阀打开，器件内部结构与空气接触进一步加速其失效进程。因此，全面了解超级电容器在高电压服役过程中气体产生机制，对于提升其服役寿命至关重要。

基于此，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员和苏方远研究员等人基于商用乙腈基超级电容器作为研究对象，探究其在高电压下气体的起源及演化路径。结合气体拉曼光谱、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱及第一性原理计算，系统分析了气体成分与超级电容器内部关键部件（电极材料、集流体和电解液）失效行为之间的关系。结果表明，气体主要来源于体系内残留水和电极表面含氧官能团（尤其是羟基和羧基）的分解，而且所涉及到的副反应会直接导致内部关键部件的损坏，如电极孔隙堵塞、集流体腐蚀和电解液分解。本研究对产气过程在超级电容器失效行为中的作用提供了全面的见解，对提升超级电容器在高电压下的长期服役性能具有重要的指导意义。博士研究生孙倩和易宗琳博士是论文的共同第一作者。

原文链接：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.调控交联沥青中氧官能团构型以优化硬炭的储钠性能

沥青作为石化或煤焦化副产物，具有碳含量高、芳香结构发达且价格低廉、资源丰富等优势，在低成本制备高性能硬炭负极材料方面具有很大的潜力。然而，沥青高的芳香性，炭化过程中分子间强的π-π共轭作用促进了碳层面堆叠层错的消除，使得相邻碳六角平面网状层呈有序排列，层面间距逐渐减小，所制沥青基炭材料展示软炭结构特征。尽管有研究已经证实由含氧官能团构成的网状交联结构能抑制沥青的重排，从而生成无序的硬炭，提高钠离子电化学性能。但是，不同官能团构型在炭化过程中对硬炭结构的形成的作用机制依然不清晰。

基于此，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员、谢莉婧副研究员和中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室杨帆教授等人合作，以石油沥青为起点，探究了交联结构中含氧官能团构型对沥青基硬炭结构演变的作用，建立了沥青前体官能团-硬炭-钠离子电化学性能三位一体的构效关系。研究表明由于较低温度下内部芳环热运动（滑动）小，所形成的C-O构型主要促进了炭层平面间的交联；而C(O)-O构型由于其空间效应利于3D交联结构的形成。相比之下，以C(O)-O构型为主导的交联沥青，热化学转变过程中在空间上极大阻碍了芳香分子的层状取向和芳香层生长，促使沥青基炭结构中更多闭孔和超微孔的形成，显著提升了平台区储钠容量。这项工作不仅有利于沥青基硬炭的高效制备，更为其他硬炭前驱体的调控提供了见解。论文的第一作者是硕士研究生徐冉。

原文链接：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.多糖类/芳香类前驱体耦合炭化提升硬炭中钠离子扩散动力学

硬炭具有大的层间距，并伴有孔隙、缺陷和闭孔等特殊结构，可为大尺寸的钠离子提供层间嵌入、表面和微孔吸附等多重存储位点，被认为是最具有应用前景的钠离子电池负极材料。其中，封闭孔隙对硬炭负极的低电位平台区容量起着关键作用。通常情况下，硬炭中的闭孔是由高度无序的炭层、赝石墨化结构或类石墨化结构包围而成，炭化温度是影响闭孔形成的重要的因素。然而，由于前驱体和制备方式的多样性，硬炭的微观结构相当复杂，调控闭孔结构的有效方式和实现钠离子向闭孔扩散的机理尚不清楚。

基于此，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员和谢莉婧副研究员等人报道了以芳构化木质素与酯杂环型淀粉为碳源，通过耦合炭化策略，实现了硬炭微观结构的可控调控，建立了独特的硬炭结构模型。结果表明芳香族组分倾向于形成缺陷少、层间距大、闭孔体积小的无序炭；而酯杂环组分倾向于形成缺陷多、层间距小、闭孔体积大的无序炭。进一步系统探究了硬炭微观结构特征与0.1 V以下储钠容量的相关性，发现钠离子嵌入容量与赝石墨化结构的比例成正比，而低电位下的填孔容量，由于同离子斥力作用，随着缺陷浓度的增加而逐渐减小，与短程有序微晶和闭孔体积无线性相关性。优化后的样品具有合适的层间距和缺陷浓度，其平台容量达到241.7 mAh/g，为硬炭微观结构的优化以及平台区容量的开发提供了新见解。论文第一作者是博士研究生宋明信。

原文链接：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.碳纳米管包覆多孔N掺杂碳十二面体中La-Fe双金属增强氧还原反应

锌-空气电池由于其高理论能量密度、固有的安全性、丰富的锌矿石、低成本以及环境友好等优势，被认为是电动汽车和大规模电能存储最有前景的能源存储装置。氧还原反应(ORR)对锌-空气电池的充放电过程至关重要，但ORR所涉及的缓慢动力学和多个复杂过程需要具有高活性和耐用性的电催化剂来满足其实际应用。

基于此，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员、刘燕珍副研究员和太原理工大学李永锋副教授等人合作，通过简单的直接共炭化合成了稳定在N掺杂多孔碳十二面体中的La-Fe双金属纳米颗粒催化剂（La-Fe/NC）。由碳纳米管产生的中孔和树枝状外层，形成了高导电网络，促进了ORR过程中电子转移和质量传输。在碱性介质中，La-Fe/NC表现出最高的ORR催化活性，半波电位（E_1/2）为0.879 V（相对于RHE，Pt/C为0.845 V）。在5000次循环后，La-Fe/NC催化剂的E_1/2仅降低了7 mV，并且其在稳定性测试和甲醇耐受性测试中的性能优于Pt/C。当用作锌空气电池中的空气电极时，La-Fe/NC催化剂表现出755mAh/g的优异比容量和179.8 mW的峰值功率密度。论文的第一作者是硕士研究生周易。

原文链接：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.揭示碳纳米管对石墨烯膜导热性能的本质影响机制

石墨烯膜因其超高的热导率、轻质、柔韧性和抗腐蚀性等特点，被广泛应用在电子设备的热管理中。特别是高热通量的集成器件，迫切需要具有更高热导率的石墨烯膜。石墨烯热导率的增强需要构建更多热传导通路。目前，普遍认为通过添加碳纳米管、碳纤维和纤维素等一维材料，可以进一步增强石墨烯膜的热传导路径。其中，碳纳米管因其固有的高热导率而常被用作填充剂来增加热通路。但碳纳米管的引入对石墨烯膜热导率的影响机制尚不明确。

基于此，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员和孔庆强副研究员等人对石墨烯/碳纳米管微观结构以及热导率的演变规律进行了细致的研究。结果发现在高温下，碳纳米管与石墨烯片层之间-C=C键的形成，加剧了声子的散射，阻碍了面内热导率的提升。提出碳纳米管与石墨烯片层之间形成的共价键是影响石墨烯膜面内热导率的关键因素。同时发现碳纳米管的加入可以在纵向提供更多的热传导的通路。这一项工作为碳纳米管对热导率的影响机理提供了深入认识。硕士研究生邢玉泽和李孟是本文的共同第一作者。

原文链接：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