石墨炔碳材料在新型电池中的研究进展.docx

背景介绍

碳材料具有优异的物理化学、电学、力学甚至光学性能，在当前材料相关的进步中发挥着重要的作用。从结构和组成的角度分析，所有的碳材料都是由众所周知的3?种（sp、sp2和sp3）杂化类型的碳组成，如金刚石是仅由sp3?杂化碳构成的，而众所周知的石墨烯仅由sp2?杂化碳构成。除石墨烯外，石墨炔（Graphdiyne，GDY）是近年来开发制备的新型二维全碳材料。由于石墨炔（Graphdiyne，GDY）具有卓越的二维平面全碳多孔特性，在多个领域具有巨大的应用潜力。特别是GDY?独特的结构特点和物理本征特性如可扩展的面内孔洞、适宜的层间距、规则的纳米结构、优良的导电性及其良好的离子传输性能，使GDY?成为很有应用前景的新型储能装置如钾离子电池、金属硫电池、金属空气电池等器件中的电极材料。

文章亮点

1.重点对近年来石墨炔碳材料在新型金属离子电池、金属空气电池、金属硫电池以及双离子电池等电池储能器件相关的研究成果进行了综述。

2.对GDY?在新型电池储能器件中的发展趋势进行了综合评价，并对未来石墨炔类碳材料在能源存储领域的进一步发展进行了展望。

3.指出了石墨炔基碳材料在电化学储能装置的未来和实际应用中仍面临一些挑战。

内容简介

1?石墨炔碳材料在新型电池中的应用

1.1??钠离子电池

石墨炔碳材料优异的物理性质和独特的化学组成，使其在钠基储能器件如钠离子电池的应用方面展露了巨大的潜力。如图2a所示，首次将多孔GDY作为电池的负极材料应用于钠电池。基于GDY电极组装的钠离子电池表现出了良好的电化学性能，包括高的可逆容量（50mA/g电流密度下可逆容量为261mAh/g），长的循环寿命（稳定循环1000圈）以及优异的倍率性能。

1.2??钾离子电池

为了满足钾离子的稳定储存和扩散，需要设计具有规则通道的电极材料，而这种通道必须包含易于钾离子扩散的路径、广阔的体积膨胀空间和良好的界面相容性。作为一种新兴的碳同素异形体，GDY具有迷人的电学、化学和机械性能，可在锂离子电池和钠离子电池领域引发能源应用。

1.3??金属-硫电池

硫正极具有较高的理论比容量(1672mAh/g)和理论容量(3459mAh/cm3)[36]，远远高于传统锂离子电池中的LiCoO2和LiFePO4，十分有利于制备低成本高性能的电池等能源器件。然而，金属硫电池的研究仍面临这许多重大的难题和挑战，如使用寿命短，倍率性能差，库伦效率低。

1.4??金属-空气电池

GDY所富含的炔键碳原子具有良好的导电性和较高的电子云密度，在电催化方面具有良好的应用潜力。如图10a所示，通过单体控制，使用五炔吡啶单体聚合制备了吡啶取代石墨二炔（Py-GDY），在锌空气电池（ZAB）（图10b）的应用方面得到了优秀的实验结果。与传统的铂碳（Pt/C）电极的ZAB相比，基于Py-GDY的ZAB的容量略高，约为647mAh/g，但在2mA/cm2的电流密度下，Py-GDY基ZAB具有更加优异的循环稳定性（图10c）。该实验不仅证实了石墨炔类碳材料能够在金属空气电池方面表现出抢眼的效果，也为石墨炔碳材料在金属空气电池的应用方面开辟了新的方向。

1.5??双离子电池

新型可充电电池，如铝（Al）离子电池和基于金属离子的双离子电池（DIB），具有高安全性、低成本、环境友好性和可持续性，吸引了广泛的兴趣。然而由于铝锂合金的形成导致铝负极体积膨胀并极易于粉化，这严重阻碍了基于铝负极DIB的实际应用。在GDY及其衍生物在任意衬底上生长的研究基础上，在铝负极上的原位生长GDY并以此来保护铝负极。在铝阳极表面原位生长GDY（图11a），可以用来保护铝负极从而改善DIBs较差的循环稳定性。

2??总结与展望

在此，本文重点综述了用于石墨炔碳材料在新型电化学储能器件中的最新研究进展。作为一种新型的二维碳同素异形体，GDY同时具有sp和sp2两种杂化形式的碳原子。sp2碳原子在很大程度上保持了二维碳平面上的高度π共轭体系，这有利于电子迁移。另一方面，sp碳原子则提高了碳框架和金属原子之间的亲和力，提供了更多的存储位点。此外，在GDY框架中由sp2和sp碳构成的平面内孔不仅能够提供足够数量的存储位置，有效地稳定插层金属原子，而且还提供了离子在垂直于GDY平面方向上扩散的传输通道。基于GDY的理论计算和实际实验都取得了重大进展，GDY也被认为是一颗在电化学储能装置中具有巨大应用潜力的明星。此外，经过化学修饰的面内孔和官能团的石墨炔基碳材料在新型储能器件中也显示出了结构和性能方面的优势。

随着对储能器件性能要求的不断提高，对高容量、高倍率性能和超长循环寿命的电极材料的要求也越来越高。为了达到这些要求，需要开发新的电极材料和储能系统。石墨炔基碳材料的研究拓展了碳材料的应用范围，在新型