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

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

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 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