一、     研究背景

锂离子电容器（LIC）作为一种新兴的储能装置，近年来备受关注。该器件巧妙地将双电层电容器的高功率密度、长循环寿命、宽温度范围和优异安全性，与锂离子电池的高能量密度和低自放电率相结合，是电网调频、人工智能算力中心备用电源、动能回收、风力发电变桨控制、及特种设备等领域的理想选择。

然而，LIC的能量密度仍显著低于锂离子电池，限制了其在空间与质量敏感场景中的应用，并推高了单位Wh成本。根据能量密度公式E=1/2CV²，提升工作电压是提高能量密度的直接途径。但高电压运行会加剧正极活性炭表面过多的缺陷位点和含氧官能团与电解液的副反应，导致性能衰退。因此开发具有稳定界面的新型正极材料成为突破锂离子电容器能量密度瓶颈的重要方向。

二、     工作简介

本研究创新性地采用氢氩混合气氛可控热处理工艺，对商用活性炭进行改性处理，成功开发出耐高压活性炭正极材料（HAC）。通过在400、600和800 °C下进行热处理，实现了含氧官能团的可控去除与微晶结构优化，同时较好地保持了材料的孔结构和比表面积。

图1 活性炭的改性处理

改性后的HAC-400材料在0.05 A/g电流密度下比容量达96.0 mAh/g，较原始样品提升21.7%；在5 A/g高倍率下仍保持61.12 mAh/g的容量。基于该材料组装的锂离子电容器全电池在2.0～4.2 V宽电压范围内表现出优异的循环稳定性，经历7400次循环后容量保持率达83.5%。本研究还制备了120 g批次样品，构建的软包电池能量密度达28.30 Wh/kg，峰值功率密度为12.1 kW/kg，验证了该方法的可扩展性与实用化潜力。

三、     核心图文解析

1.    材料结构精准调控

通过系统表征揭示了热处理对材料结构的优化机制。随着温度从400 °C提升至800 °C，材料比表面积从1894.5 m²/g轻微下降至1759.8 m²/g，其中HAC-400表现出更高的介孔比例 (0.032 cm³/g)，形成更均衡的孔径分布。XRD与拉曼光谱分析显示，热处理有效提升了材料石墨化程度，I_D/I_G比值从0.923降至0.916。元素分析表明氧含量从5.4%（质量分数）降至3.06%，粉末电阻测试证实活性炭的电导率明显提升。

图2 活性炭的微晶结构调控：热处理前后的（a）比表面积；（b）孔径分布；（c）XRD图谱；（d）Raman光谱图；（e）含氧量；（f）粉末电导率。

2.    表面化学特性优化

XPS分析深入揭示了官能团演变规律。C1s谱图显示C-O、C=O、-COO含量随温度升高而降低，C=C与π-π^*贡献增加，表明sp²杂化增强。O1s谱图进一步证实-COO、C-O、-OH官能团的逐步去除，特别是酸性含氧官能团的选择性去除，为构建稳定电极/电解液界面奠定了基础。

图3 活性炭的表面特性调控：热处理前后的（a）C1s精细谱及拟合结果；（b）O1s精细谱及拟合结果。

3.    电化学性能显著提升

所制HAC-400材料在半电池测试中展现出优异的倍率性能和循环稳定性，在5 A/g大电流下容量保持率达63.7%。全电池测试中，HAC-400//HC体系在0.5 C下放电比容量达66.2 mAh/g，基于正负极材料活性物至总质量计算的最大能量密度为145.6 Wh/kg，在13.9 kW/kg高功率下仍保持93.4 Wh/kg。1074.8 F的软包电池测试进一步验证了其实际应用价值，能量密度可达28.30 Wh，性能全面提升。

图4 优化后的HAC-400活性炭制备的LIC：（a）扣式LIC的倍率性能；（b）扣式LIC的充放电曲线；（c）扣式LIC的循环性能；（d）扣式LIC的循环伏安曲线；（e）软包LIC倍率性能；（f）软包LIC能量密度-功率密度曲线。

四、     结论

本研究通过氢还原热处理技术，成功开发出具有优异高压稳定性的改性活性炭正极材料HAC-400。该材料在保持高比表面积和优化孔结构的同时，实现了不稳定含氧官能团的有效去除和微晶结构增强，显著提升了材料的导电性和界面稳定性。HAC-400在2.0～4.2 V宽电压窗口内表现出96.0 mAh/g的高比容量和优异的倍率性能，组装的锂离子电容器在能量密度、功率密度和循环寿命等方面均实现显著提升。特别是制备的软包电池器件，展示了该技术路线的产业化应用前景，为开发高性能锂离子电容器提供了新的材料解决方案，推动其在新能源领域的广泛应用。

New Carbon Materials 文章信息

An Ya-Bin; Sun Yu; Zhang Ke-Liang; Li Chen; Sun Xian-Zhong; Wang Kai; Zhang Xiong; Ma Yan-Wei; Tuning surface functional groups and crystallinity in activated carbon for high-voltage lithium-ion capacitors. New Carbon Materials, 2025, 40(5): 1085-1097.

安亚斌, 孙宇, 张克良, 李晨，孙现众, 王凯, 张熊, 马衍伟. 定向调控表面官能团和微晶结构制备高电压锂离子电容器用活性炭.新型炭材料（中英文），2025, 40(5): 1085-1097.

 doi: 10.1016/S1872-5805(25)61003-1

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