马衍伟/张熊研究员团队：自蔓延高温合成活性炭/石墨烯复合正极提升锂离子电容器储能性能

研究背景

锂离子电容器将电池型负极高比容量与电容型正极快速充放电特性相结合，是兼顾能量与功率性能的重要储能器件。其中，活性炭因孔隙丰富、化学稳定性较好而被广泛用作正极，但其有限的比容量与电子导电能力，仍制约着器件性能的进一步提升。

引入石墨烯可以改善活性炭的电子传输。然而，石墨烯片层易重新堆叠，商业活性炭的比表面积和孔结构又难以精细调节。如何在制备过程中同步构建多孔炭骨架与石墨烯导电网络，使离子存储位点与传输通道相互配合，是复合正极设计需要解决的问题。

工作简介

本研究以镁粉和柠檬酸镁为前驱体，在CO2 气氛中采用自蔓延高温合成策略，原位制备活性炭/石墨烯复合材料（图1）。镁与CO2 发生镁热还原反应生成石墨烯，反应释放的热量同时驱动柠檬酸镁快速炭化，实现两种炭组分的协同构筑。自蔓延反应在点火后数秒内完成，产物经酸洗和冷冻干燥获得复合炭材料（MCG）。通过调节镁粉与柠檬酸镁的质量比，研究团队优化了孔隙结构与片层形貌。最佳样品MCG-5的正极比容量达到77.2 mAh·g^–1；与预锂化软炭负极组装后，锂离子电容器的最高能量密度达到127.3 Wh·kg^–1（基于正负极活性物质的质量）。

图1 合成过程示意图

核心图文解析

1. 前驱体配比调节活性炭/石墨烯结构

当镁粉与柠檬酸镁的质量比由1∶1调整至1∶5，材料比表面积由448.7 m²·g^–1 提高至1173.5 m²·g^–1。MCG-5的总孔容达到1.2770 cm³·g^–1，介孔孔容为1.1107 cm³·g^–1，平均孔径为5.51 nm。丰富的介孔有利于电解液进入炭骨架，并为离子传输提供通道。拉曼光谱中，D峰与G峰的强度比由0.86增加至1.11，说明随着柠檬酸镁比例提高，复合材料整体的结构无序程度增加（图2）。这并不意味着石墨烯导电网络失去作用，而是反映了缺陷丰富的多孔炭组分与小尺寸石墨烯片层共同组成的复合结构。结合电子显微镜表征可见，小尺寸、褶皱的石墨烯片层附着于多孔活性炭表面，形成相互连接的片层网络。这样的结构既有助于抑制石墨烯重新堆叠，又使离子吸附位点与电子传输路径相互衔接，为正极的快速储能提供结构基础。

图2 MCG材料的结构与孔隙特征 ：（a）XRD谱图；（b）拉曼光谱；（c）氮气吸附脱附等温线；（d）孔径分布

2. 活性炭/石墨烯复合正极的电化学性能

在2.0～4.2 V（相对于Li/Li⁺）的测试范围内，MCG-5正极的循环伏安曲线呈近矩形，恒流充放电曲线接近对称三角形，表明其储能主要由电解液阴离子在炭表面的快速吸附与脱附主导，表现出典型的双电层电容特征。在0.05 A·g^-1 下，MCG-5的比容量为77.2 mAh·g^–1，明显高于MCG-1的19.2 mAh·g^–1 和MCG-2的27.6 mAh·g^–1。当电流密度增至2 A·g^–1 时，其比容量仍达到49.2 mAh·g^–1，体现了较好的倍率性能（图3）。在1 A·g^–1 下10000次充放电循环后，MCG-5正极容量保持率为99.9%。这一结果说明，多孔活性炭与石墨烯片层的原位复合，能够在提高有效储能容量的同时保持稳定的循环性能。

图3 MCG正极的电化学性能： （a）循环伏安曲线；（b）恒流充放电曲线；（c）不同MCG样品的倍率性能；（d）MCG-5在1 A·g^–1 下的循环性能

3. 全炭型锂离子电容器的电化学性能

以MCG-5为正极、预锂化软炭为负极组装成全炭型锂离子电容器，最佳负极与正极活性物质质量比为1∶2。在117.8 W·kg^–1 下，器件能量密度达到127.3 Wh·kg^-1；功率密度提高至4.4 kW·kg^–1 时，能量密度仍为69 Wh·kg^–1（基于正负极活性物质的总质量）。在1 A·g^–1 下循环5000次后，器件容量保持率为84.2%（图4）。

图4 MCG-5与软炭组装的锂离子电容器性能：（a）循环伏安曲线；（b）恒流充放电曲线；（c）不同负极与正极质量比下的倍率性能；（d）Ragone图；（e）1 A·g^–1 下的循环性能

结论

本研究将镁热还原生成石墨烯与柠檬酸镁快速炭化耦合起来，通过自蔓延高温反应原位构筑活性炭/石墨烯复合正极。其关键在于同步调节多孔炭结构和石墨烯片层导电网络，使较高比表面积、丰富介孔与有效电子传输相互配合。优化后的MCG-5正极在0.05 A·g^–1 下提供77.2 mAh·g^–1 的比容量，在1 A·g^–1 下循环10000次后容量保持率达99.9%。与预锂化软炭负极匹配后，器件实现127.3 Wh·kg^–1 的最高能量密度，并在5000次循环后保持84.2%的容量。这项工作为石墨烯与多孔炭的一体化设计提供了快速合成思路，也表明正极材料的孔结构与导电网络协同优化，是改善全炭型锂离子电容器性能的有效途径。

文章信息

Hu Tao; Zhang Xiong; Li Chen; An Yabin; Sun Xianzhong; Wang Kai; Ma Yanwei; Self-propagating high-temperature synthesis of activated carbon/graphene composites for high-performance lithium-ion capacitors. New Carbon Materials, 2026, 41(5): 1236-1248.

胡涛, 张熊, 李晨, 安亚斌, 孙现众, 王凯, 马衍伟. 自蔓延高温合成活性炭/石墨烯复合材料用于高性能锂离子电容器. 新型炭材料（中英文），2026, 41(5): 1236-1248.

DOI: 10.1016/S1872-5805(26)61123-7

通讯作者简介

马衍伟，中国科学院电工研究所党委副书记、副所长、研究员。国家级人才，国务院政府特殊津贴专家。目前担任国家重点研发计划项目首席科学家、科技部重点领域创新团队负责人、中国超级电容产业联盟副理事长、中国电工技术学会超级电容器与储能技术专业委员会副主任委员。长期从事实用超导材料、高比能超级电容器及关键材料研究，已发表SCI论文400多篇，连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单，出版学术专著2部（科学出版社），获得90多项发明专利授权。获十大中国科学年度新闻人物（2019）、中国科学院先进工作者、中国科学院优秀教师奖等称号。培养博士研究生多名，其中有9人获得中国科学院优秀博士学位论文，2人获得中国科学院院长特别奖，9人次获得中国科学院院长优秀奖。

张熊，中国科学院电工研究所研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师。入选中国科学院青年创新促进会会员、北京市科技新星。长期从事锂离子电容器的应用基础研究。先后主持国家自然科学基金、北京市重点研发计划、中国科学院洁净能源创新研究院重点合作基金等科研项目。荣获中国科学院卢嘉锡青年人才奖、2020年北京市自然科学奖二等奖、中国科学院优秀导师。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、Sci. Bull.等期刊上发表论文200余篇，授权国家发明专利50余项，出版《锂离子电容器》学术专著一部。

安亚斌，中国科学院电工研究所副研究员，2017年加入中国科学院电工研究所。主要从事锂离子电容器及高功率锂离子电池制备技术研发，开展了高性能电极材料制备、界面改性及先进单体制造等工作。主持国家自然科学基金1项，省部级子课题3项，央企技术攻关项目1项。在 Energy Storage Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. A 等期刊上发表论文66篇，其中以第一作者或通讯作者发表11篇；以第一发明人申请专利8项，已获授权4项。