碳點(diǎn)（Carbon dots，CDs）以其超小的尺寸（< 10 nm）、豐富的表面官能團(tuán)、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(diǎn)在碳族成員中脫穎而出。近年來的研究表明，碳點(diǎn)在提高鈉離子電池電極材料的庫侖效率、延長(zhǎng)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(xué)紀(jì)效波教授、侯紅帥副教授團(tuán)隊(duì)在《發(fā)光學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為“碳點(diǎn)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(duì)碳點(diǎn)在鈉離子電池電極材料方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和存在的挑戰(zhàn)，本文以碳點(diǎn)衍生碳材料、碳點(diǎn)對(duì)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(diǎn)在鈉離子電池電極材料方面的應(yīng)用，探討了碳點(diǎn)在電極材料構(gòu)筑方面起到的關(guān)鍵作用，分析了碳點(diǎn)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(diǎn)在能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為研究熱點(diǎn)，涉及電容器、太陽能電池以及金屬離子電池等能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)。研究者們針對(duì)如何充分有效利用碳點(diǎn)的獨(dú)特性質(zhì)提升鈉離子電池電化學(xué)性能展開了大量研究。碳點(diǎn)在鈉離子電池中的應(yīng)用可以分為以下四個(gè)方面（如圖1所示）：

（1）增強(qiáng)界面潤(rùn)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(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)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(chǔ)性能。

圖1 碳點(diǎn)在鈉離子電池電極材料方面的應(yīng)用及其作用

2.碳點(diǎn)在鈉離子電池中的應(yīng)用

碳點(diǎn)應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，其表面組成和結(jié)構(gòu)尤為重要。如氨基對(duì)贗電容有很大的貢獻(xiàn)，羧基、羥基有助于增強(qiáng)電極材料和電解液之間的潤(rùn)濕性，量子尺寸的碳點(diǎn)也可以調(diào)控金屬氧化物晶體的形成。碳點(diǎn)可以通過其豐富的表面官能團(tuán)與一些金屬離子進(jìn)行配位，從而對(duì)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(diǎn)定向設(shè)計(jì)功能碳材料的新方法，利用小尺寸、富含官能團(tuán)的碳點(diǎn)在高溫下的組裝與生長(zhǎng)特性，通過維度設(shè)計(jì)、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(diǎn)與金屬氯化物混合后高溫?zé)崽幚恚苽淞艘痪S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(duì)碳點(diǎn)組裝具有定向誘導(dǎo)作用。我們還通過氫氧化鈉與碳點(diǎn)混合后高溫?zé)崽幚慝@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(duì)氨基苯磺酸、苯磺酸、苯膦酸等與碳點(diǎn)混合后高溫?zé)崽幚矸謩e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(duì)碳點(diǎn)組裝碳材料的結(jié)構(gòu)與組成的影響機(jī)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(duì)碳材料儲(chǔ)鈉行為的影響規(guī)律，為鈉離子電池碳基負(fù)極材料的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

2.2 表面修飾

碳點(diǎn)尺寸小、比表面積大，通常表面帶有多種官能團(tuán)，極易吸附于電極材料表面。碳點(diǎn)對(duì)電極材料進(jìn)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(dòng)力學(xué)，還可作為敏化劑和保護(hù)劑，起到防止材料團(tuán)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(diǎn)修飾碳材料可提供更多的鈉儲(chǔ)存活性位點(diǎn)；碳點(diǎn)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(chǔ)存性能。

2.3 形貌調(diào)控

碳點(diǎn)由于尺寸超小、表面官能團(tuán)豐富且易調(diào)控，可以影響晶粒生長(zhǎng)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(diǎn)可以作為金紅石TiO?的“形貌設(shè)計(jì)添加劑”。作為一種有效的功能化誘導(dǎo)劑，碳點(diǎn)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(jìn)一步組裝成石墨化碳層包裹的三維花瓣?duì)罱Y(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(kuò)散路徑，改善了電化學(xué)儲(chǔ)鈉性能。此外，碳點(diǎn)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(zhǎng)，防止Sb粒子聚集。隨著碳點(diǎn)劑量的增加，Sb的尺寸可以進(jìn)一步減小，證明通過調(diào)節(jié)碳點(diǎn)的加入量可以實(shí)現(xiàn)Sb粒子尺寸可控，所得復(fù)合材料中的殘余碳點(diǎn)還可以作為電子導(dǎo)電通道，增強(qiáng)電子導(dǎo)電性。

3.總結(jié)與展望

盡管碳點(diǎn)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(diǎn)本身的研究

碳點(diǎn)本身的研究還缺乏更加詳細(xì)的探討，合成出具有優(yōu)異性能的碳點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)。此外，還有許多基礎(chǔ)科學(xué)問題，如成核和生長(zhǎng)過程，碳點(diǎn)的合成方法和條件對(duì)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(diǎn)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(diǎn)結(jié)構(gòu)與性能方面存在差異，這對(duì)電極材料的修飾調(diào)控面也具有不同作用。因此需要針對(duì)不同方法得到的碳點(diǎn)，統(tǒng)籌考慮其尺寸、晶型、表面狀態(tài)和摻雜修飾等因素對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的分類，并對(duì)不同類型碳點(diǎn)對(duì)電極材料的調(diào)控、修飾機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的研究，以便能夠調(diào)整和預(yù)測(cè)復(fù)合材料的電化學(xué)性能，為其實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

（3）碳點(diǎn)在鈉離子電池中的應(yīng)用還局限于電極材料方面

碳點(diǎn)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(jìn)一步的探索。

綜上，碳點(diǎn)在鈉離子電池中已經(jīng)顯現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，進(jìn)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(jī)制，是未來碳點(diǎn)在儲(chǔ)能電池中走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要研究方向。

作者簡(jiǎn)介：

郭瑞婷，2019年于哈爾濱理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2019級(jí)碩士研究生，主要從事電化學(xué)儲(chǔ)能材料的研究。

侯紅帥，中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授，2016年于中南大學(xué)獲得博士學(xué)位。中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、國(guó)家博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)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(xué)術(shù)論文。主要研究領(lǐng)域：碳點(diǎn)的調(diào)控與儲(chǔ)能應(yīng)用、有色金屬能源化學(xué)。

紀(jì)效波，中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副院長(zhǎng)，教授，博士研究生導(dǎo)師。2007年于英國(guó)牛津大學(xué)獲得博士學(xué)位。教育部青年長(zhǎng)江學(xué)者、國(guó)家優(yōu)青、英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、科睿唯安全球高被引學(xué)者、國(guó)際期刊Electrochemistry Communications副編輯。在Advanced Materials，Angewandte Chemie等國(guó)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(guó)發(fā)明專利57項(xiàng)。主要研究領(lǐng)域：新能源材料與器件及先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)。

論文信息：

郭瑞婷, 李林, 項(xiàng)贏爾, 等. 碳點(diǎn)在鈉離子電池中的應(yīng)用[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 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

歡迎課題組投稿——新聞稿

文章轉(zhuǎn)載/商務(wù)合作/課題組投稿，微信：447882024

帶您每天讀1篇文獻(xiàn)！加入>Light讀書會(huì)