一、   研究背景

能量的电化学存储与转化技术与人们的日常生活息息相关，已广泛应用于便携式电子设备。风能、太阳能和潮汐能等清洁能源的高效存储和转化正成为实现“碳达峰，碳中和”双碳目标的重要途径。电极材料是影响电化学储能系统的关键因素，设计、合成高性能电极材料已成为当前的研发热点。多孔炭材料所具有的化学惰性、优异的导电性、大的比表面积和丰富的孔道结构使其成为电化学储能系统中的优选材料。除此之外，制备多孔炭材料的原料来源广泛，通过合理的设计和构筑，易根据应用调控炭材料的结构。例如，相互连通的孔道微结构可促进电解质离子转移和电子迁移，进而增强其电化学性能。

近日，山西大学韩高义教授课题组总结了近年来沥青基多孔炭材料的最新研究进展，从结构设计的角度出发详细总结并讨论了沥青基炭材料的合成策略及其电化学储能方面的应用，在《新型炭材料（中英文）》期刊上发表了题为“The pitch-based carbon materials: A review for the structural design, preparation approaches and applications in energy storage”的综述文章。

二、工作简介

   该综述首先介绍了煤沥青所固有的特性，包括其多环芳烃为主的分子结构、成份复杂性和热塑性等。根据沥青的这些特性，讨论了在制备沥青基多孔炭材料过程中一般用到的预处理过程，主要包括溶剂分割法和氧化法。通过溶剂分割法可以将组成复杂的沥青分成物理、化学性质相似的组分组，为后续的活性炭材料制备过程中的形貌和孔结构调控提供了操作上的方便。氧化预处理法是煤沥青在强氧化剂（高锰酸钾、硝酸及双氧水等）或空气的作用下，将含氧官能团引入到惰性的沥青分子中，一方面增强其热固性能，另一方面增加其在热处理过程中的反应活性，且可以防止沥青分子间在Z轴方向上的堆叠。因此，预处理过程对调控沥青基炭材料的形貌和结构至关重要。

             沥青基炭材料的制备与应用领域

随后，该综述讨论了不同形貌的沥青基炭材料的合成策略及储能方面的应用。详细介绍了近期模板法调控沥青基炭材料的研究工作。作为制备多孔材料的普适方法，硬模板法同样适用于沥青基炭材料的合成。由于硬模板自身独特的形貌，可以诱导沥青形成纳米线、纳米棒及多孔炭等各种具有特殊形貌的炭材料。相较于硬模板法，软模板因自身高温分解的特性，常无需后续的模板去除过程，但软模板通常比硬模板价格昂贵。熔盐法常用于合成其它的无机材料，当用于制备炭材料时也可认为具有一些模板法的特征。二元共晶盐可以在低于单个盐的熔点的温度下熔化，在熔融状态下，熔盐组份增强了与碳前体之间的相互作用，起到催化缩合和模板的作用，使炭材料具有丰富的孔结构。另一方面，熔盐还会覆盖于炭材料表面，阻止空气对炭材料的侵蚀，从而有助于提高多孔炭材料的收率。同时，围绕超级电容器、锂离子电池、钾离子电池及钠离子电池等现代储能器件，介绍了沥青基多孔炭材料的孔结构、石墨化程度及杂原子掺杂等因素对器件的能量密度、功率密度等储能性质的影响做了相应的介绍。

沥青分子氧化示意图及制备的多孔炭的结构特征

最后，该综述从沥青基炭材料合成过程中遇到的沥青组份复杂、易于软化和堆叠的特性提出了相应的解决办法和合成策略，总结了沥青基多孔炭材料发展所面临的问题并对沥青基炭材料的研究前景进行了展望。

New Carbon Materials 文章信息

LIU Hui-chao, ZHU Sheng, CHANG Yun-zhen, HOU Wen-jing, HAN Gao-yi. The pitch-based carbon materials: A review for the structural design, preparation approaches and applications in energy storage. New Carbon Materials, 2023, 38(3): 459-477.

期刊官网：

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/

国际版主页：

https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

期刊公众号