Nature子刊：这种技术，让PVDF在几毫秒内转变成电极材料！

具有高比表面积和电子导电性的多孔碳因其理想的电子和离子传输能力而备受青睐，但传统的制备方法要么产量低，要么碳质量差。

近日，军事科学院防化研究院张浩、中国科学院金属研究所李峰团队开发了一种自下而上合成高介微孔石墨化碳（MGC）的锂热法。聚四氟乙烯粉末与熔融锂（Li）金属之间的自促进反应可在几毫秒内完成制备，反应过程中瞬间产生超高温（>3000 K）。这种在超高温和超短时间内瞬间碳气化和凝结的现象使 MGC 呈现出高度石墨化和连续交叉耦合的开放式孔隙结构。MGC 显示出卓越的电化学电容器性能，具有超强的功率能力和超长的循环能力。制造这种碳的工艺很容易扩展到工业水平。

通过聚四氟乙烯（PTFE）粉末与熔融锂金属之间的强化超快放热反应合成 MGC 的过程（命名为锂热法），这是一种自发的高温合成方法。将聚四氟乙烯（PTFE）粉末直接浸入熔融锂金属中，并施加横向剪切力，即可引发该反应（图 1）。强放热反应释放出的热量会产生燃烧波，并以自持的方式自发传播到剩余的反应物中。由于碳在高温反应（>3000 K和图 4）下瞬间汽化和凝结，生成的 MGC 显示出超过 2000 m2/g 的高表面积和良好的石墨化结晶度。   

与 "自上而下 "合成路线制备的具有大量封闭孔隙的多孔碳不同，MGC 是通过 "自下而上 "的路线合成的，在超高温条件下，瞬时（小于 1 毫秒）的气相缩合往往会形成交叉耦合的开放通道，作为离子高速公路，实现无阻塞、无死角的快速离子传输。得益于超高温，MGC 的高石墨化程度也确保了其优异的导电性。简而言之，低氧含量和高石墨化程度的独特互连开放通道保证了 MGC 的快速离子和电子传输。    进一步的机理研究表明，出色的性能源于两个因素：碳的高导电性和开放式多孔结构。首先，碳的高导电性降低了电极的内阻（MGC 的 ESR 值低至 1.61 欧姆）。其次，开放式多孔结构为离子的快速传输提供了明确的路径。COMSOL 多物理场模拟的 BF4 流量分布验证了 MGC 的超高电荷传输速率特性。(模拟多孔碳中的离子传输行为）。如图 4A 所示，红色区域清晰可见，表明互联孔隙中的离子通量比层状孔隙中的离子通量高（图 4B）。因此，与层状多孔碳相比，互联孔隙中离子通量的增强有助于提高速率性能。

总之，研究人员展示了一种可扩展的超快锂热工艺，用于制备高多孔、低氧含量的石墨化碳。该工艺避免了传统的自上而下和自下而上生产方式耗时长、产量有限的缺点，并具有高反应性碳原子、高空间密度和产物质量高的优点。MGC 的交叉耦合开放孔道可作为扩散通道，促进离子在电极体中的传输和迁移。通常情况下，在 EMIMBF4 电解质中作为超级电容器的电极材料，MGC 电极可实现理想的速率能力，当电流密度从 10.0 A/g 增加到 200.0 A/g 时，可保持 90% 以上的电容。令人印象深刻的是，MGC 在 100,000 次循环后的电容保持率也高达 97.7%，显示出其作为高功率电源的巨大潜力。此外，在具有内部并联结构的软包电池中，MGC 还显示出其优于商用活性炭的性能，比能量为 47 Wh/kgMGC，比功率为 175 kW/kgMGC。该方法以超高温和固态试剂为特征，可扩展到用其他金属元素（Na、K、Mg、Al 等）和其他非金属主族元素（B、Si 等）制造高度石墨化的多孔碳。