碳点在钠离子电池中的应用

碳点（Carbon dots，CDs）以其超小的尺寸（< 10 nm）、丰富的表面官能团、均匀的分散性、可调的组成和结构、良好的生物相容性和光致发光特性等特点在碳族成员中脱颖而出。近年来的研究表明，碳点在提高钠离子电池电极材料的库仑效率、延长循环寿命、提升倍率性能等方面均有明显效果。

近日，中南大学纪效波教授、侯红帅副教授团队在《发光学报》发表了题为“碳点在钠离子电池中的应用研究”的综述文章，第一作者是硕士研究生郭瑞婷。

针对碳点在钠离子电池电极材料方面的应用优势和存在的挑战，本文以碳点衍生碳材料、碳点对电极材料的表面修饰和形貌调控为脉络，系统总结了碳点在钠离子电池电极材料方面的应用，探讨了碳点在电极材料构筑方面起到的关键作用，分析了碳点在钠离子电池应用中存在的挑战与未来的发展方向。

1.引言

近年来，碳点在能量储存与转换领域的应用逐渐成为研究热点，涉及电容器、太阳能电池以及金属离子电池等能量储存系统。研究者们针对如何充分有效利用碳点的独特性质提升钠离子电池电化学性能展开了大量研究。碳点在钠离子电池中的应用可以分为以下四个方面（如图1所示）：

（1）增强界面润湿性，提高库仑效率；

（2）提高电极材料导电性，改善倍率性能；

（3）增强结构稳定性，延长循环寿命；

（4）调节电极材料的形貌与结构，提供更好的钠存储性能。

图1 碳点在钠离子电池电极材料方面的应用及其作用

2.碳点在钠离子电池中的应用

碳点应用于储能领域，其表面组成和结构尤为重要。如氨基对赝电容有很大的贡献，羧基、羟基有助于增强电极材料和电解液之间的润湿性，量子尺寸的碳点也可以调控金属氧化物晶体的形成。碳点可以通过其丰富的表面官能团与一些金属离子进行配位，从而对最终产物的形貌、颗粒尺寸等产生重要影响。

2.1衍生碳材料

本课题组开发了基于零维碳点定向设计功能碳材料的新方法，利用小尺寸、富含官能团的碳点在高温下的组装与生长特性，通过维度设计、杂原子掺杂、孔隙构筑等构建了系列功能碳材料。通过碳点与金属氯化物混合后高温热处理，制备了一维碳纤维、二维碳纳米片以及三维碳框架，发现热处理过程中金属盐产生的中间体对碳点组装具有定向诱导作用。我们还通过氢氧化钠与碳点混合后高温热处理获得了由扭曲碳纳米片交联构成的三维多孔碳框架材料，通过磷酸二氢钠、十二烷基磺酸钠、对氨基苯磺酸、苯磺酸、苯膦酸等与碳点混合后高温热处理分别构筑了磷掺杂碳纳米片、硫掺杂碳纳米片、氮硫共掺杂碳纳米片及磷硫共掺杂碳材料，深入研究了杂原子源的引入对碳点组装碳材料的结构与组成的影响机制。基于此，系统研究了维度、孔隙结构、杂原子掺杂等对碳材料储钠行为的影响规律，为钠离子电池碳基负极材料的设计提供了理论指导。

2.2 表面修饰

碳点尺寸小、比表面积大，通常表面带有多种官能团，极易吸附于电极材料表面。碳点对电极材料进行表面修饰不仅可使离子表界面更容易和更快速传输，改善材料的导电性和动力学，还可作为敏化剂和保护剂，起到防止材料团聚、避免结构破坏的作用，从而使材料具有优异的结构稳定性。碳点修饰碳材料可提供更多的钠储存活性位点；碳点修饰金属氧/硫化物材料可以提高电极材料导电性、增加电极与电解液的接触面积、稳定电极结构，从而提高钠的储存性能。

2.3 形貌调控

碳点由于尺寸超小、表面官能团丰富且易调控，可以影响晶粒生长过程，从而可以调控微纳材料的微观形貌结构。研究发现，碳点可以作为金红石TiO₂的“形貌设计添加剂”。作为一种有效的功能化诱导剂，碳点可以诱导金红石TiO₂的形貌从纳米颗粒转换为纳米针状，进一步组装成石墨化碳层包裹的三维花瓣状结构，从而显著提升电极材料的导电性，缩短钠离子的扩散路径，改善了电化学储钠性能。此外，碳点作为功能化诱导剂可以调节Sb颗粒在还原过程中的成核和生长，防止Sb粒子聚集。随着碳点剂量的增加，Sb的尺寸可以进一步减小，证明通过调节碳点的加入量可以实现Sb粒子尺寸可控，所得复合材料中的残余碳点还可以作为电子导电通道，增强电子导电性。

3.总结与展望

尽管碳点在钠离子电池方面有着极大的应用潜力，但其仍然面临着巨大的挑战。

（1）碳点本身的研究

碳点本身的研究还缺乏更加详细的探讨，合成出具有优异性能的碳点也是一个难点。此外，还有许多基础科学问题，如成核和生长过程，碳点的合成方法和条件对其结构和性能、形貌和尺寸等方面的影响还需要有待深入研究

（2）不同方法制备的碳点结构与性能方面存在较大的差异

不同方法制备的碳点结构与性能方面存在差异，这对电极材料的修饰调控面也具有不同作用。因此需要针对不同方法得到的碳点，统筹考虑其尺寸、晶型、表面状态和掺杂修饰等因素对其进行严格的分类，并对不同类型碳点对电极材料的调控、修饰机理进行详细的研究，以便能够调整和预测复合材料的电化学性能，为其实际应用提供理论指导。

（3）碳点在钠离子电池中的应用还局限于电极材料方面

碳点作为在隔膜修饰剂和电解液添加剂，用来抑制钠枝晶的形成还有待进一步的探索。

综上，碳点在钠离子电池中已经显现出了良好的应用前景，进一步研究其规模化制备方法和深入研究系统化的调控机制，是未来碳点在储能电池中走向实际应用的重要研究方向。

作者简介：

郭瑞婷，2019年于哈尔滨理工大学获得学士学位，中南大学化学化工学院2019级硕士研究生，主要从事电化学储能材料的研究。

侯红帅，中南大学化学化工学院副教授，2016年于中南大学获得博士学位。中国科协青年人才托举工程、国家博士后创新人才支持计划入选者。以第一/通讯作者在Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，ACS Nano等期刊上发表40余篇学术论文。主要研究领域：碳点的调控与储能应用、有色金属能源化学。

纪效波，中南大学化学化工学院副院长，教授，博士研究生导师。2007年于英国牛津大学获得博士学位。教育部青年长江学者、国家优青、英国皇家化学学会会士、科睿唯安全球高被引学者、国际期刊Electrochemistry Communications副编辑。在Advanced Materials，Angewandte Chemie等国际期刊上发表280余篇SCI论文，论文被引用16 000余次，H指数为70；获授权中国发明专利57项。主要研究领域：新能源材料与器件及先进储能技术。

论文信息：

郭瑞婷, 李林, 项赢尔, 等. 碳点在钠离子电池中的应用[J]. 发光学报, 2021, 42(8):1182-1195. 

论文地址：

DOI：10.37188/CJL.20210140

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

监制 | 郝振东、赵阳

编辑 | 赵唯

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