Advanced Energy Materials :碳基纳米材料的结构设计和组成调控在储锂方面的应用进展

随着能源短缺和环境问题等的日益显著,以锂离子电池为主的储能系统成为主要的能量存储器件。碳基纳米材料以其优异的导电性、高的比表面积、可控的形貌以及稳定的物化性质极大推动了电化学领域的发展,它们在固定不同种类的电化学活性物质如锂、硫和氧,维持电极/电解液界面稳定,提供活性物质支撑等方面发挥了不可替代的作用。通过构建连续的导电结构,碳基材料实现了对电子和离子的有效传导,从而改善了电池的反应动力学。此外,优异的结构稳定性也能够充分缓解电化学反应过程中锂离子的嵌入和脱出对电极材料的破坏,进而提高了电池的循环寿命。这些优异的特性使其成为储能材料的首选,科学家们已经采用各种不同的方法和手段用于制备和设计能够适应不同电化化学环境的碳基电极材料。

图.碳基纳米材料在锂基储能系统的应用

近期,上海大学吴明红教授、张海娇教授和清华大学曲良体教授作为联合通讯作者系统总结了碳基纳米材料的结构设计和组成调控对储锂性能的影响。该综述首先对不同维度的碳基纳米材料的制备方法进行了分类探讨,包括一维的纳米管和纳米线,二维的纳米片和薄膜以及三维的分级纳米结构等,讨论了它们充当锂基电池正极和负极材料的作用。随后,以这些碳材料为基础,对元素掺杂和结构调控等进行了系统说明,通过分析不同维度结构和元素掺杂等与电池电化学性能之间的构效关系,总结了实现高性能电池电极材料的制备的材料设计策略。同时,该综述对碳基纳米材料在锂基类电池方面的应用做了全面的探讨,包括锂离子电池、锂硫电池和锂氧电池(或锂空气电池),系统阐述了碳基材料在不同电池系统中发挥的作用和机理,为满足不同种类电池电极材料及器件的设计提供了思路和方法。

最后,对碳基纳米材料在储锂领域所遇到的问题进行了讨论,提供了不同维度碳基材料在柔性可穿戴器件方面的探索方向,说明了碳基材料在电池反应动力学和稳定性等方面亟待解决的问题。此外,根据目前商业化的碳基锂电池材料方面的发展状况,对其未来研究方向和发展趋势进行了展望。这为设计电化学性能优异的先进碳基纳米结构提供了重要的参考。相关论文以“Structure Design and Composition Engineering of Carbon‐Based Nanomaterials for Lithium Energy Storage”为题在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.201903030)上。