通过等离子体辅助分解碳前驱体实现的自下而上碳合成，为制备碳材料开辟了一条无需基底和催化剂的途径，但当前的方法仍受制于高生产成本和低产率。本文，中国石油大学（北京）高振飞副研究员、肖志华 副教授等在《Chemical Engineering Science》期刊发表名为”Microwave nitrogen plasma-prepared graphene-modified Al foil towards excellent low-temperature performance in lithium-ion batteries”的论文，研究利用微波激发氮等离子体，通过调节C2H2/H2气体比例，实现了高质量亚微米级石墨烯（SSG）的可扩展合成。
原位光学发射光谱（OES）和温度模拟结果表明，在相同的功率输入下，氮等离子体环境能实现远高于氩等离子体的反应温度，从而显著提升了SSG的结构质量。具体而言，氮等离子体生长系统可达到高达5841 K的高温，制备出的SSG具有较低的ID/IG比（0.37）和清晰的片状结构。将制备的 SSG 粉末用于改性铝箔（Al@SSG），从而大幅降低界面阻抗，并提高锂离子电池（LIBs）中磷酸铁锂（LFP）正极的反应动力学性能。结果表明，制备在 Al@SSG 上的 LFP 正极（LFP-Al@SSG）在 10C 倍率下可提供 103.4 mAh g−1 的高比容量，且经过 500 次循环后容量保持率仍达 91.8 %，远高于采用纯铝箔的 LFP（66.4 mAh g−1，80.2 %）。即使在−20 °C下，LFP-Al@SSG的比容量在500次循环后仍保持90.3 %的容量保持率，显著高于采用纯铝（74.6 %）和碳包覆铝箔（80.1 %）的LFP。本研究展示了一种低成本、常压且可扩展的碳材料合成策略，用于高性能锂离子电池集流体的改性。
图1. (a) Schematic diagram of the application of SSG grown by microwave plasma CVD in LFP batteries. (b) SSG product grown for 6 h (2.43 g). (c) Comparison of the yield of SSG from this study and graphene in other literature. (d) Size distribution of SSG powder.
通过一种低成本、可放大的微波激发氮等离子体法，制备出了高品质的SSG粉末。通过调节输入的C₂H₂/H₂气体比例，成功实现了SSG产率（21.09 %）与质量（C/O ≈ 72.4，ID/IG = 0.37）的协同提升，且该材料仅含几层，在当前的等离子体气相合成方法中极具竞争力。其中，氮等离子体工作温度为5841 K，是氩等离子体（3236 K）的1.8倍。高温环境有利于C₂H₂的高效分解，从而产生高浓度的活性C₂自由基，并在成核过程中实现有序排列；同时，氢原子可终止石墨烯边缘的悬空键，抑制结构卷曲。将制备的SSG粉末用于改性铝箔，可大幅降低界面阻抗，并提高锂离子电池（LIBs）中LFP正极的反应速率。结果表明，LFP-AL@SSG 正极在 10C 倍率下展现出 103.4 mAh g−1 的高比容量，且经过 500 次循环后容量保持率仍达 91.8 %，远高于采用纯铝箔的 LFP（66.4 mAh g−1，80.2 %）。即使在−20 °C下，LFP-Al@SSG的比容量在500次循环后仍保持90.3 %的容量保持率，远高于采用纯铝箔的LFP（74.6 %）和碳涂层铝箔（80.1 %）。GITT、原位电化学阻抗谱（EIS）结合DRT分析表明，SSG涂层不仅提高了集流体/电极界面的电子导电性，还促进了电极-电解液界面处的锂脱溶剂化和插层动力学。这些发现确立了结构、界面与电化学性能之间的明确关系，为高性能低温锂离子电池中集流体的合理设计提供了理论依据。
文献：https://doi.org/10.1016/j.ces.2026.124603
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