碳材料由于原料资源丰富、成本低廉、物化性质稳定、组分结构容易调控等优势，已经广泛用于金属离子电池、超级电容器、金属空气电池阴极催化剂等研究中。钠/钾离子电池是目前广泛研究的下一代大规模储能潜在的体系，而碳材料是其中最具有商业化前景的负极材料。根据不同碳材料的结构差异，可以分为石墨、软碳、硬碳等。石墨虽然在锂离子电池中已得到广泛应用，但是其储钠钾的容量有限，与商业化需求尚有较大的差距；软碳，石墨化程度次于石墨，但是较石墨有更多的孔隙、缺陷，因此表现出较优异的储钠钾容量。但是相比于石墨储锂的容量仍有差距，尤其是软碳储钠过程以吸附容量（斜坡区域）主导，放电平台较高，因此不利于全电池的能量密度；相比于石墨和软碳，硬碳负极表现出最佳的储钠钾的容量，这与硬碳合适的层间距、开闭孔结构、缺陷等相关；尤其是硬碳储钠表现出较低的嵌钠平台，有助于提高全电池的能量密度。因此，不同结构的碳材料存在自身的难题，越来越多的研究关注于碳材料的结构优化和组分调控。
此外，电解液体系提升碳负极的储钠钾性能至关重要，尤其是盐和溶剂的种类对硬碳表面的固态电解质界面（SEI）影响非常大。比如，酯基电解液有利于高电压钠离子电池，但是形成有机物主导、有机无机组分无序混合分布、较厚的SEI 层，导致硬碳负极的首效较低、倍率性能较差；而醚类电极液衍生的无机物主内有机物在外、成分有序分布、较薄的SEI层，有助于高首效和高倍率性能，但是醚基电解液耐高压性较差，无法与高压正极相适配。因此，电解液优化，包括盐浓度调节、溶剂化结构调控、成膜添加剂等，有益于构建稳定、快离子传导的SEI层。虽然已经有大量研究致力于碳材料优化和界面化学调控，但是复杂的硬碳微结构和SEI层，使得碳材料结构、电极电解液间的界面性质与储钠钾性能间的构效关系，仍然存在诸多未知，并且这些问题在钠钾离子电池中的差异更明显。
基于此，北京理工大学吴锋院士团队的白莹教授、吴川教授系统综述了目前应用于钠钾离子电池中碳负极材料的研究进展，如图1所示，着重总结了碳负极中钠钾离子的存储机理、电极电解液的界面化学、提升碳材料性能的结构与组分调控策略，并概述了钠、钾离子电池中碳负极材料未来的研究难题和发展趋势。
作者们首先介绍了不同碳负极材料的合成方法、制备过程、结构特征，着重强调了硬碳前驱体和碳化制度对结构影响，以及先进的结构表征技术；然后，全面概述了不同碳材料当中钠离子、钾离子的储能机理，尤其是对比总结了钠钾离子在不同碳材料中的存储差异；同时对碳负极材料适配的电解液体系进行总结，重点介绍电解液体系和电极材料对SEI组成和结构的影响，对比分析钠钾离子电池中碳负极表面SEI的差异，并提出了电极材料对电解液催化分解效应、以及对SEI形成过程的影响，明晰从电极材料角度优化构建理想SEI的因素；接着，论文全面总结了提升碳负极材料储钠钾性能的结构、组分优化策略，主要包括孔结构、缺陷工程、表面含氧官能团等，重点梳理了提高首效、提高平台容量的策略，针对钠钾离子在碳材料中的储能差异梳理出各自适用于两种体系的碳材料类型和优化策略，构建出构效关系路线图；最后，作者分享了该领域的发展所面临的挑战和机遇，主要包括碳材料结构的可控制备、先进表征技术有助于明晰构效关系、原位技术促进界面化学深入研究、机器学习推进碳材料基因工程等；另外，还从两种电池体系的价格因素和安全性能等方面，展望了硬碳负极及其钠钾离子电池体系的商业化前景。
论文信息：
Advances in Carbon Materials for Sodium and Potassium Storage
Mingquan Liu(#), Yahui Wang(#), Feng Wu, Ying Bai*, Ying Li, Yuteng Gong, Xin Feng, Yu Li, Xinran Wang, Chuan Wu*
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202203117
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203117
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发表于 2022-8-15 17:51:30
