东北大学祝红丽教授团队Carbon Energy 综述：用于电化学储能的多功能 0D 到 3D 碳

Versatile zero- to three-dimensional carbon for electrochemical energy storage

Yuyue Zhao, Yunlu Zhang, Ying Wang, Daxian Cao, Xiao Sun, Hongli Zhu*

Carbon Energy (2021)

DOI: 10.1002/cey2.137

研究背景

二次电池已被广泛开发并应用于各种领域，如大规模储能、便携式电子产品和电动汽车。碳基材料由于其丰富、环境友好、结构可调和优异的化学稳定性而引起了广泛关注。除了用于电池和超级电容器的商业碳，许多研究集中在具有各种结构的用于电化学储能的先进和多功能碳。

成果速递

近日，东北大学祝红丽教授团队全面总结了不同尺寸碳材料的优势和性能及其在电化学储能中的应用。文章以题为“Versatile zero- to three-dimensional carbon for electrochemical energy storage”发表在Carbon Energy上。

这篇综述中强调了碳结构的重要性以及材料结构与电化学性能之间的关系。具体如下：

0D 球形碳：高活性材料利用率、可容纳体积变化大的活性物质、高表面积。

1D 碳纤维：低渗透阈值、优良的导电性。

2D 层状碳：高比表面积、优良的导电性、较大的层间距可减轻大的体积变化并保持活性材料。

3D体块碳：有序和互连的多孔结构、独立式结构、良好的导电性。

图文解析

1.球体碳

0D 球形碳材料可以改善电极中活性材料的接触和电子传输。此外，球体结构，如核壳结构和蛋黄壳结构，能够阻止或最小化由相变、体积膨胀、穿梭效应或粉化引起的活性材料的损失。活性材料优异的导电性显着提高了可逆容量、倍率性能和循环稳定性。

图 1. 各种 0D 球形碳材料的合成和电化学性能

2. 1D 碳纤维

2.1. 电纺碳纤维

通过静电纺丝和碳化制备的 CNF 具有高表面积、纳米级直径和网状结构，使其成为能源存储领域的一个有前途的候选材料。渗滤的一维 CNF 多孔电极通过增加电解质的可及性来提供锂离子传输，并且具有更高的表面积-体积比。此外，一维碳材料被广泛用作各种电化学储能装置中的电子导电骨架，可增强电极中的电子转移并适应充放电过程中的体积变化。当与合金和金属氧化物材料等高容量活性材料结合时，可以提供更高的可逆容量，并且在锂化和脱锂过程中抑制了极端的体积波动。

图 2. 电纺碳纤维及其能源储存的应用

2.2、非电纺碳纳米纤维

由于非电纺碳纳米纤维低成本和环境丰富，基于生物质的纤维，如天然木材和纤维素纤维， 是制备多孔碳纳米纤维的理想前体。生物质衍生的 CNF 表面形成了丰富的官能团。与传统活性炭类似，生物炭可以产生具有丰富孔隙率的无定形碳。碳纳米纤维内在的分级和介孔结构在碳化后可以保持，并与其他材料结合作为导电框架。

图 3. 非电纺碳纤维能源储存机制

2.3 、碳纳米管

与电纺 CNF 类似，CNT 与上述纤维状碳结构具有一维材料的相似特征，并且由于其优异的导电性、高表面积以及管间开放多孔结构的形成，通常用作可充电电池中的活性材料的主体和导电添加剂。此外，碳纳米管的低质量密度有助于增加电池重量能量密度。

图 4. 单壁碳纳米管的电化学性能及其形貌表征

3. 2D 层状碳

与在一维方向具有高导电性的纤维状碳或管状碳不同，二维碳显示出优异的面内导电性，可以增加平面内的电子传输。二维材料具有高比表面积，平面结构暴露两侧的碳原子，其中获得足够的活性位点用于电化学反应，并且易于功能化。此外，两层之间较大的间距可以缓解充放电过程中的大体积变化并阻挡活性材料，从而提高循环稳定性。

石墨烯

石墨烯是最受欢迎的二维碳材料之一，具有比表面积大、纵横比高、密度低、导电性好、机械强度高等优点。在锂离子电池中，由于与石墨结构相似，锂离子能够相互缩放到堆叠石墨烯层中，通过调整石墨烯纳米板的层压结构可以扩展。

图 5. 石墨烯的制备及其电化学性能

4. 3D 体块碳

与 1D 纤维和 2D 层状碳不同，具有 3D 互连结构的体块碳可以通过缩短导电路径来加速电子传输。此外，体块碳的高表面积和多孔互连结构可以提供与电解质的大接触面积和整个空间中连续的离子传输路径，从而提高倍率性能。3D 结构的多样性也为碳材料的合理结构设计提供了一种新方法。在不同的碳材料中，生物质衍生的碳显示出明确的介孔结构和形态， 以及天然的杂原子掺杂特性，提供了优异的传质和电荷转移动力学、足够的反应位点和良好的表面润湿性。

图 6. 3D 体块碳在能源储存的应用

结论与展望

本综述总结了不同维度的碳材料在各种电化学储能应用中的应用，特别是碳维度结构对电子和离子传输的影响。从 0D 球状多孔结构到 3D 体块结构，各种碳材料都表现出优异的电化学性能。除了本综述中讨论的碳之外，许多新型碳质材料，如基于金属有机骨架(MOF)和氟化掺杂的碳材料，也被用于储能设备。MOF 衍生的碳材料具有各种结构形态和可调的孔道和腔尺寸。此外，在新兴的全固态电解质电池中，碳在提高碳材料方面也起着非常关键的作用。总之，通过设计，高性能碳基材料的设计和制造仍有巨大的改进空间。

相关论文信息

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论文标题：

Versatile zero- to three-dimensional carbon for electrochemical energy storage

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.137

DOI:10.1002/cey2.137

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