2022年8月，我院助理教授杨帆与合作单位，以“用于高性能锂离子电池的通过沥青质热相分离形成的稳定导电分级网络Si/C纳米复合材料”（A Hierarchical Si/C Nanocomposite of Stable Conductive Network Formed Through Thermal Phase Separation of Asphaltenes for High-Performance Li-Ion Batteries）和“沥青衍生洋葱状软碳作为高性能钾离子电池负极”（Bitumen‐Derived Onion‐Like Soft Carbon as High‐Performance Potassium‐Ion Battery Anode）为题在Small上连发2项最新研究成果。《Small》是Wiley出版社旗下的工程技术领域Top期刊(据2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表，工程技术大类1区)，2022年影响因子为15.15.杨帆助理教授为所述两篇文章的共同通讯作者。
硅是一种高容量的锂离子电池负极材料，但其在反复充放电过程中的快速劣化现象是制约其商业化应用的最主要因素之一。受热裂解过程中沥青中沥青质的多环芳烃分子性质和相分离的启发，深圳技术大学和南方科技大学的研究团队通过控制碳源沥青质的界面吸附浓度，在随后的碳化过程中实现了构筑稳固碳包覆所需的相分离行为，进而合成了由坚固的碳涂层和与硅表面牢固连接的碳骨架组成的分级Si/C纳米复合材料。这种分层结构被证明提供了理想的机械强度，以确保在循环过程中稳定的导电连接和均匀的锂化，从而有效地减缓由电极结构坍塌引起的电荷转移电阻的增加。由于这种特殊碳基质的坚固性，其与活性材料的导电接触损失和SEI层的生长也被最小化，从而实现了更好的循环稳定性。使用这种特殊的Si/C纳米复合材料制成的电极具有1149 mAh g-1的高可逆容量.在600次充放电循环后，容量保持率为98.5%，且在高负载稳定运行下的面容量超过10 mg cm−2或23.8mAh cm−2，这是公开文献报道的最高面积容量之一。这种简单有效的制备策略易于扩展到商业生产，以满足我国电动汽车行业的快速增长。
由于钾元素的天然丰度、低成本和“类摇椅”型工作机制，钾离子电池（PIB）已被视为锂离子电池的竞争替代品。作为系列性成果的另一分支，团队利用天然沥青质分子的界面行为控制手段制备了高杂原子含量的洋葱状软碳（OLSC）。由于OLSC的高度石墨化，OLSC电极表现出低电压平台。同时，由于洋葱状结构的高稳定性和宽松的层间结构，团队发现钾离子可在其中快速传输，进而赋予电极优异的循环稳定性和倍率性能，后者是由第一性原理计算发现的杂原子诱导的膨胀中间层引起的。与现有碳材料相比，研究合成的OLSC在20 mA g-1下表现出466 mAh g-1的高可逆容量，222 mAh g-1的可逆容量且1600次循环后容量保持率为95%。这项工作将碳材料的纳米结构和电化学性能联系起来，并为改进PIB的碳基阳极提供了新的见解。
本研究得到杨帆老师的国家自然科学基金项目及深圳技术大学高层次人才科研启动项目的资助与支持。
论文1链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202203102
论文2链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202203494
