碳點（Carbon dots，CDs）以其超小的尺寸（< 10 nm）、豐富的表面官能團、均勻的分散性、可調(diào)的組成和結(jié)構(gòu)、良好的生物相容性和光致發(fā)光特性等特點在碳族成員中脫穎而出。近年來的研究表明，碳點在提高鈉離子電池電極材料的庫侖效率、延長循環(huán)壽命、提升倍率性能等方面均有明顯效果。

近日，中南大學紀效波教授、侯紅帥副教授團隊在《發(fā)光學報》發(fā)表了題為“碳點在鈉離子電池中的應(yīng)用研究”的綜述文章，第一作者是碩士研究生郭瑞婷。

針對碳點在鈉離子電池電極材料方面的應(yīng)用優(yōu)勢和存在的挑戰(zhàn)，本文以碳點衍生碳材料、碳點對電極材料的表面修飾和形貌調(diào)控為脈絡(luò)，系統(tǒng)總結(jié)了碳點在鈉離子電池電極材料方面的應(yīng)用，探討了碳點在電極材料構(gòu)筑方面起到的關(guān)鍵作用，分析了碳點在鈉離子電池應(yīng)用中存在的挑戰(zhàn)與未來的發(fā)展方向。

1.引言

近年來，碳點在能量儲存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為研究熱點，涉及電容器、太陽能電池以及金屬離子電池等能量儲存系統(tǒng)。研究者們針對如何充分有效利用碳點的獨特性質(zhì)提升鈉離子電池電化學性能展開了大量研究。碳點在鈉離子電池中的應(yīng)用可以分為以下四個方面（如圖1所示）：

（1）增強界面潤濕性，提高庫侖效率；

（2）提高電極材料導(dǎo)電性，改善倍率性能；

（3）增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，延長循環(huán)壽命；

（4）調(diào)節(jié)電極材料的形貌與結(jié)構(gòu)，提供更好的鈉存儲性能。

圖1 碳點在鈉離子電池電極材料方面的應(yīng)用及其作用

2.碳點在鈉離子電池中的應(yīng)用

碳點應(yīng)用于儲能領(lǐng)域，其表面組成和結(jié)構(gòu)尤為重要。如氨基對贗電容有很大的貢獻，羧基、羥基有助于增強電極材料和電解液之間的潤濕性，量子尺寸的碳點也可以調(diào)控金屬氧化物晶體的形成。碳點可以通過其豐富的表面官能團與一些金屬離子進行配位，從而對最終產(chǎn)物的形貌、顆粒尺寸等產(chǎn)生重要影響。

2.1衍生碳材料

本課題組開發(fā)了基于零維碳點定向設(shè)計功能碳材料的新方法，利用小尺寸、富含官能團的碳點在高溫下的組裝與生長特性，通過維度設(shè)計、雜原子摻雜、孔隙構(gòu)筑等構(gòu)建了系列功能碳材料。通過碳點與金屬氯化物混合后高溫熱處理，制備了一維碳纖維、二維碳納米片以及三維碳框架，發(fā)現(xiàn)熱處理過程中金屬鹽產(chǎn)生的中間體對碳點組裝具有定向誘導(dǎo)作用。我們還通過氫氧化鈉與碳點混合后高溫熱處理獲得了由扭曲碳納米片交聯(lián)構(gòu)成的三維多孔碳框架材料，通過磷酸二氫鈉、十二烷基磺酸鈉、對氨基苯磺酸、苯磺酸、苯膦酸等與碳點混合后高溫熱處理分別構(gòu)筑了磷摻雜碳納米片、硫摻雜碳納米片、氮硫共摻雜碳納米片及磷硫共摻雜碳材料，深入研究了雜原子源的引入對碳點組裝碳材料的結(jié)構(gòu)與組成的影響機制。基于此，系統(tǒng)研究了維度、孔隙結(jié)構(gòu)、雜原子摻雜等對碳材料儲鈉行為的影響規(guī)律，為鈉離子電池碳基負極材料的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

2.2 表面修飾

碳點尺寸小、比表面積大，通常表面帶有多種官能團，極易吸附于電極材料表面。碳點對電極材料進行表面修飾不僅可使離子表界面更容易和更快速傳輸，改善材料的導(dǎo)電性和動力學，還可作為敏化劑和保護劑，起到防止材料團聚、避免結(jié)構(gòu)破壞的作用，從而使材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。碳點修飾碳材料可提供更多的鈉儲存活性位點；碳點修飾金屬氧/硫化物材料可以提高電極材料導(dǎo)電性、增加電極與電解液的接觸面積、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，從而提高鈉的儲存性能。

2.3 形貌調(diào)控

碳點由于尺寸超小、表面官能團豐富且易調(diào)控，可以影響晶粒生長過程，從而可以調(diào)控微納材料的微觀形貌結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，碳點可以作為金紅石TiO?的“形貌設(shè)計添加劑”。作為一種有效的功能化誘導(dǎo)劑，碳點可以誘導(dǎo)金紅石TiO?的形貌從納米顆粒轉(zhuǎn)換為納米針狀，進一步組裝成石墨化碳層包裹的三維花瓣狀結(jié)構(gòu)，從而顯著提升電極材料的導(dǎo)電性，縮短鈉離子的擴散路徑，改善了電化學儲鈉性能。此外，碳點作為功能化誘導(dǎo)劑可以調(diào)節(jié)Sb顆粒在還原過程中的成核和生長，防止Sb粒子聚集。隨著碳點劑量的增加，Sb的尺寸可以進一步減小，證明通過調(diào)節(jié)碳點的加入量可以實現(xiàn)Sb粒子尺寸可控，所得復(fù)合材料中的殘余碳點還可以作為電子導(dǎo)電通道，增強電子導(dǎo)電性。

3.總結(jié)與展望

盡管碳點在鈉離子電池方面有著極大的應(yīng)用潛力，但其仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

（1）碳點本身的研究

碳點本身的研究還缺乏更加詳細的探討，合成出具有優(yōu)異性能的碳點也是一個難點。此外，還有許多基礎(chǔ)科學問題，如成核和生長過程，碳點的合成方法和條件對其結(jié)構(gòu)和性能、形貌和尺寸等方面的影響還需要有待深入研究

（2）不同方法制備的碳點結(jié)構(gòu)與性能方面存在較大的差異

不同方法制備的碳點結(jié)構(gòu)與性能方面存在差異，這對電極材料的修飾調(diào)控面也具有不同作用。因此需要針對不同方法得到的碳點，統(tǒng)籌考慮其尺寸、晶型、表面狀態(tài)和摻雜修飾等因素對其進行嚴格的分類，并對不同類型碳點對電極材料的調(diào)控、修飾機理進行詳細的研究，以便能夠調(diào)整和預(yù)測復(fù)合材料的電化學性能，為其實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

（3）碳點在鈉離子電池中的應(yīng)用還局限于電極材料方面

碳點作為在隔膜修飾劑和電解液添加劑，用來抑制鈉枝晶的形成還有待進一步的探索。

綜上，碳點在鈉離子電池中已經(jīng)顯現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，進一步研究其規(guī)模化制備方法和深入研究系統(tǒng)化的調(diào)控機制，是未來碳點在儲能電池中走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要研究方向。

作者簡介：

郭瑞婷，2019年于哈爾濱理工大學獲得學士學位，中南大學化學化工學院2019級碩士研究生，主要從事電化學儲能材料的研究。

侯紅帥，中南大學化學化工學院副教授，2016年于中南大學獲得博士學位。中國科協(xié)青年人才托舉工程、國家博士后創(chuàng)新人才支持計劃入選者。以第一/通訊作者在Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，ACS Nano等期刊上發(fā)表40余篇學術(shù)論文。主要研究領(lǐng)域：碳點的調(diào)控與儲能應(yīng)用、有色金屬能源化學。

紀效波，中南大學化學化工學院副院長，教授，博士研究生導(dǎo)師。2007年于英國牛津大學獲得博士學位。教育部青年長江學者、國家優(yōu)青、英國皇家化學學會會士、科睿唯安全球高被引學者、國際期刊Electrochemistry Communications副編輯。在Advanced Materials，Angewandte Chemie等國際期刊上發(fā)表280余篇SCI論文，論文被引用16 000余次，H指數(shù)為70；獲授權(quán)中國發(fā)明專利57項。主要研究領(lǐng)域：新能源材料與器件及先進儲能技術(shù)。

論文信息：

郭瑞婷, 李林, 項贏爾, 等. 碳點在鈉離子電池中的應(yīng)用[J]. 發(fā)光學報, 2021, 42(8):1182-1195. 

論文地址：

DOI：10.37188/CJL.20210140

http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210140

監(jiān)制 | 郝振東、趙陽

編輯 | 趙唯

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