干货｜4类用于锂电负极的新型碳纳米材料

• 2023-07-11 09:06:54 来源：先丰nano

电化学储能凭借高效、便捷、高比能量/比功率密度等优势，已成为新能源革命中的关键技术。电极材料作为电化学储能装置的核心，其性能好坏将直接决定储能器件的能量密度、功率密度、循环寿命等关键性能参数。碳纳米材料由于循环效率高、循环寿命长和安全性能好等优点，成为锂离子电池（LIBs）首选的负极材料。

本期小丰整理了4类用于锂电池负极的新型碳纳米材料，一起看下~

1、石墨炔

(相关资料图)

石墨炔（GDY）是一种新型sp1和sp2杂化碳原子共存的二维碳的同素异形物，其中sp2碳原子在2D平面上保持共轭，促进电子迁移；sp碳原子促进了碳骨架与金属原子之间的亲和力，从而提供额外的存储位点。此外，在GDY骨架中，由sp2和sp杂化碳形成的天然孔道不仅提供足够数量的存储位点，有效地稳定插入的金属原子，而且还提供了一些传输通道，以使离子在垂直于该方向的方向上平滑扩散。

实验证明，GDY具有中等的三角形孔和良好的储锂能力（理论比容量744 mAh g-1）及丰富的碳-碳三键（CC），还原能力强。目前基于GDY的电极的相关结构设计以及其在一系列储能装置中的应用研究已经取得了令人兴奋的进展，例如在锂离子电池，钠离子电池，锂/镁硫电池和超级电容器上GDY都表现出优异的性能。

2、多孔碳

多孔碳材料因其高比表面积、孔体积、低密度、化学稳定性好，尤其是多级孔尺寸等优点，在LIBs中获得了广泛的关注。多孔碳作为LIBs负极时，高比表面积的特点使其能结合更多锂离子，为LIBs提供高容量；多维复杂的孔洞结构为锂离子提供了有效的扩散通道和较短的锂离子扩散距离；空位、杂原子掺杂等缺陷可以作为储锂点位；在锂的脱嵌过程中体积膨胀/收缩的机械应力较小，循环稳定性好。因此，多孔碳常常表现出比传统石墨碳更好的电化学性能，被应用于锂离子电池、锂硫电池以及超级电容器上。

当前多孔碳材料的核心设计思路是开发能够有效负载更多的硫且提供更多的多硫化物的限制通道的结构，以提高硫的利用率的循环性能，如多孔、中空和核/壳结构。

3、石墨烯

石墨烯（Graphene）材料的结构特征决定了石墨烯材料的储锂行为。Graphene材料具有很高的储锂容量，开放的大孔结构也为电解质离子的进入提供了势垒极低的通道，可保证Graphene材料具有良好的倍率特性。Graphene比容量是石墨理论容的两倍，可直接用作LIBs的负极材料。研究人员认为，Graphene的高比容量主要源自于边缘大量缺陷的存在以及良好的导电性能，其电极薄膜电阻极低，仅为１。

然而进一步的研究表明，Graphene用作LIBs负极材料存在循环寿命低的问题。近年来，为了提高石墨烯作为负极材料的性能，Graphene与过渡金属氧化物、硅基、锡基等材料复合制作成石墨烯基复合负极材料成为现在LIBs研究的热点，也是今后发展的趋势。

4、碳纳米管

碳纳米管（CNT）是由单层或多层同轴炭片层组成的“具有类似于石墨层状结构”的材料，这种微观结构使得锂离子的嵌入深度小、行程短及嵌入位置多（管内和层间的缝隙、空穴等），同时因CNT导电性能好，具有较好的电子传导和离子运输能力，因而可以作为LIBs负极材料。

然而采用CNT直接作为LIBs负极材料也存在不足之处，如第一次不可逆容量较大，首次充放电效率比较低；CNT负极缺乏稳定的电压平台，存在电位滞后现象等。为了提高CNT的使用效果，研究人员尝试制备SnO2/CNT、过渡金属氧化物/CNT、SiO2/CNT等复合负极材料，都成功地提高了CNT基电极材料的电化学性能，为大容量、高稳定的LIBs发展提供了可能的解决方案。

尽管过去几年各类新型碳纳米材料在LIBs负极研究中取得了巨大进展，但是在实际应用之前，仍有许多关键挑战需要克服，如提高首效，优化电极结构，实现低电压滞后和高体积能量密度等，仍需要继续探索！

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