德累斯顿工业大学|冯新亮&于明浩Chem. Soc. Rev.：用于离子嵌入式电池技术的碳材料

文章信息

用于离子嵌入式电池技术的碳材料

第一作者：王刚

通讯作者：于明浩*，冯新亮*

单位：德累斯顿工业大学

研究背景

日益增长的能源需求促进了廉价、安全、可规模化、高性能的电池技术的发展。碳材料由于资源丰富、价格低廉、绿色环保、拥有多种电池电化学等特性被作为优异的电池电极材料得到广泛研究。其中，利用其低电位下碱金属离子（Li+/Na+/K+）嵌入/脱嵌机理，碳材料可以作为理想的“摇椅型”碱金属离子电池的负极材料。

另一方面，利用高电位下阴离子嵌入/脱嵌机理，石墨化碳材料作为正极被应用到多种双离子和新兴铝离子电池技术中。在本篇综述中，作者首先介绍了碳材料在多孔结构、化学组分、层间距控制等方面的取得的研究进展。进一步分析了碳材料在阳离子和阴离子嵌入中的电化学特性、嵌入效应、嵌入形式等方面的基础问题。

同时总结了近年来在新型碳材料结构设计以及在电池技术方面的应用，并着重讨论了碳材料结构-性能关系、电池器件构造、电池电化学、以及性能参数。最后作者对新型碳结构设计和碳基电池技术商业化应用方面存在的机遇与挑战进行了展望。

文章简介

近日，来自德累斯顿工业大学的冯新亮教授（通讯作者）、于明浩研究员（通讯作者）、以及王刚研究员（第一作者）在国际知名期刊Chem. Soc. Rev.上发表题为 “Carbon materials for ion-intercalation involved rechargeable battery technologies” 的综述文章。

该综述总结了用于电池技术的碳材料的结构特性、基础电池电化学、电池应用进展，并对这一领域存在的机遇与挑战进行了展望（图1）。

图1. 碳基电池材料、结构、离子嵌入电化学、以及电池器件

本文要点

要点一：碳基材料结构、性质

用于离子嵌入式电池技术的碳材料可以简单的分为两类（图2），一类为有序碳材料（石墨、石墨烯、碳纳米管等），另一类为无序碳材料（硬碳、软碳）。

本文详细总结了不同种碳材料的结构特点、物理化学性质、以及合成方法。同时对碳材料在多孔结构设计制备、层间距控制、化学修饰等方面的研究进行了总结。

图2. 多种碳材料结构示意图

要点二：基础电化学分析

离子嵌入/脱嵌机理是可充电电池技术经典的电荷存储机理之一（图3）。本文对碳材料不同种离子嵌入/脱嵌电化学行为进行了详细的讨论。在阳离子方面，着重分析三种碱金属离子（Li+/Na+/K+）嵌入/脱嵌行为、嵌入模型、容量贡献等方面的差异。

在阴离子方面，介绍了多种阴离子嵌入的机理、嵌入反应动力学、以及多种影响阴离子嵌入行为的因素（包括阴离子类型、溶剂选择、电解液浓度）。

图3. 碳材料离子嵌入模型

要点三：电池器件进展

本文详细介绍了新型碳结构在多种储能器件（锂电池、钠电池、钾电池、双离子电池）研究方面的进展。着重讨论了碳材料结构-性能的关系、电池器件构造、电池电化学。同时汇总了不同碳材料在储能器件中的性能参数。

要点四：机遇与调整

当前，在碳材料结构设计和其电池技术应用方面仍存在诸多机遇与挑战。在储存阳离子的碳材料方面，本文讨论了目前在阳离子储存机理分析、性能缺陷、新型碳结构以及相应电解液开发、器件整合等方面的问题。

在储存阴离子的碳材料方面，本文分析了目前电极性能方面存在的性能缺陷以及未来有待研究的解决方案。最后在器件组装方面，本文指出了现阶段大部分研究仍停滞在电极材料研究方面，忽视了很多器件组装时对电极材料特性的要求。同时提出了优化多种电池器件结构、测试的方案。

通讯作者介绍

冯新亮教授个人链接：https://tu-dresden.de/mn/chemie/mc/mc2/die-professur/Inhaber#

于明浩研究员个人链接：https://tu-dresden.de/mn/chemie/mc/mc2/die-professur/gruppenleiter/dr-minghao-yu

文章链接

“Carbon materials for ion-intercalation involved rechargeable battery technologies” Chem. Soc. Rev. 2021.

https://doi.org/10.1039/D0CS00187B