南京航空航天大学张校刚教授Nano‑Micro Lett.综述:纳米空心碳在可充电电池中的发展和挑战
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在碳基材料的各种形态中,中空碳纳米结构由于它们的高比表面积、可控制的孔径分布、高电导率以及出色的化学与机械稳定性,作为可充电电池中的电极材料被广泛研究。在电极材料中使用中空碳纳米结构的优势在于可以提供活性位点,加速电子/离子转移,与电解质相互作用以及组成高比容量,快充放电速率,高循环能力和整体电化学性能稳定的电池。在本概述中,作者综述了纳米空心碳材料(包括纳米球,纳米多面体和纳米纤维)目前所取得的研究进展,以及它们在可充电电池中的应用。
Nanohollow Carbon for Rechargeable Batteries: Ongoing Progresses and ChallengesJiangmin Jiang, Guangdi Nie, Ping Nie, Zhiwei Li, Zhenghui Pan, Zongkui Kou, Hui Dou, Xiaogang Zhang*, John Wang*Nano‑Micro Lett.(2020)12:183
1. 总结了纳米空心碳材料的合成策略,包括纳米球,纳米多面体和纳米纤维。
2. 综述了可充电电池中可用作电极材料的纳米空心碳材料。
3. 讨论了纳米空心碳材料的前景和面临的挑战。
南京航空航天大学材料科学与技术学院的张校刚团队与新加坡国立大学材料科学与工程系的John Wang团队合作,在本文中概述了纳米空心碳材料研究(包括纳米球,纳米多面体和纳米纤维)所取得的进展,以及它们在可充电电池中的应用。对锂离子电池,钠离子电池,钾离子电池和锂硫电池等可充电电池的设计,合成策略及其电化学性能进行了全面回顾和讨论,并提出了前景的挑战。
在过去的二十年中,已开发出一系列碳纳米结构,例如碳点,纳米颗粒,纳米棒,纳米管,纳米纤维,纳米片,各种核-壳和纳米空心结构。这些材料拥有高比表面积,可控制的孔径分布,高电导率,可变的结晶度,以及出色的化学和机械稳定性。根据定义,这些“纳米空心”是指在不同的纳米壳内部具有适当的空隙分布的各种碳纳米结构,该纳米壳是相对致密的或多孔的,并且它们的尺寸是纳米级的。自1990年代以来,碳基材料已广泛用作各种能量存储和转换设备中的电极材料,尤其是不同类型的可充电电池,其中石墨是几乎所有商用锂离子电池使用最广泛的阳极材料。纳米空心碳材料(NHCM)的开发是解决电池和其他储能设备的某些瓶颈问题的有效方法,其优势包括三点:首先,NHCM具有高的表面体积比,因此更多的电荷存储活性位点,这也将有利于缩短电子传输/离子扩散,改善与电解质的界面接触和润湿性,从而提高电池容量和速率性能。其次,NHCM具有良好的结构和机械稳定性,可以有效地抑制充电电池重复长期循环中的体积膨胀,从而实现出色的循环稳定性。最后,可以通过设计和调节它们的形态和表面化学,以适用于不同的应用。凭借这些的优势,近年来,NHCM被广泛用作不同类型电池的电极材料。
图1. 过去10年中通过Web of Science使用“电池用空心碳材料”搜索的出版物数量。
II 纳米空心碳的可控制备
图2. 以SiO₂为硬模板合成HMCS的过程示意图。
图3. 介孔碳纳米球软模板法形成过程的示意图。
图4. 基于MOFs形成碳管过程的示意图。
III 在可充电电池中的应用
原文链接
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00521-2
相关进展
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