熔盐电解石墨化具有工艺简单、合成温度较低、合成物质形貌可控等特性。在碳基固体废物定向转化领域有重要的应用潜力，2017年非晶碳向石墨的电化学转化取得重要突破后，基于高温熔体的电化学石墨化法受到广大科研工作者的关注。已开发的碳质材料，石墨化度偏低，与商业化石墨的技术指标依然存在差距。其原因是电化学还原过程中伴随多尺度多反应步骤的问题，多步反应协同进行，导致关键过程控制难；非金属杂原子脱出机制与碳原子石墨化机制复杂，反应步骤难解析；金属原子催化促进的电化学转化伴随形微观貌变化，增加了时间与空间尺度的解析难度。

针对该领域难点，我院博士研究生李世杰在焦树强教授与宋维力教授指导下，联合机电学院朱艳丽教授，利用多尺度分析方法深入解析电化学石墨化的演化过程，相关成果以“Nickel-promoted Electrocatalytic Graphitization of Biochars for Energy Storage: Mechanistic Understanding using Multi-scale Approaches”为题发表在国际化学领域顶级旗舰期刊《Angewandte Chemie International Edition》。

研究工作中通过利用金属镍的催化特性，将其与木质素混合作为非晶碳前驱体，调控金属镍添加量、电解温度与电解时间，获得了电化学转化石墨微观形貌与化学结构的工艺控制区间；采用从宏观电解槽尺度-微观电极尺度-宏观原子尺度的多尺度分析方法，解析了各个尺度的反应控制关键参数与金属原子促进的杂原子脱出-石墨化-成管的反应机制。催化电解转化的石墨化炭质材料作为负极应用于锂离子电池与钾离子电池，负极储能容量与锂离子电池商业化石墨负极相当，同时突破了现有已报到钾离子电池石墨类负极储能容量。

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图1 镍促进的电化学石墨化-在熔融氯化钙中将无定形碳转化为高度石墨化碳的催化过程，以及通过控制镍的添加、温度和反应时间的关键工艺参数来进行脱氧、石墨化、缺陷去除和管状化

图2宏观电解池尺度和电极尺度的多尺度方法分别使用连续COMSOL多场模拟和阴极还原反应建模来实现平均反应动力学

图3 熔盐电解中镍促进电解石墨化过程微观反应途径和机理的多尺度研究

图4使用转化石墨碳作为负极材料，组装好的碱性离子电池的电化学性能