摘 要
钠离子电池（SIBs）是未来最具发展前景的储能系统之一。碳材料因其来源广泛、价格低廉而被广泛用作钠离子电池的阳极材料。然而，纯碳材料仍然存在理论容量低的缺点，通过碳基复合材料的新型设计和制备策略可有效克服该问题。本文在分析钠离子在碳基复合材料中储存机制的基础上，深入探讨了影响钠离子电池性能的关键因素，全面系统总结了提高钠离子电池电化学性能的碳调控方法，包括碳骨架的设计和复合材料的选择，综述了基于碳基复合材料的柔性钠离子电池阳极最新应用进展。
图1. 摘要图。
图文简介
01
碳基复合材料的储钠机理解析
目前，碳基复合材料涉及三种可能的钠离子储存机制：合金化反应机制（碳基复合材料含有金属元素）、转化反应机制（碳基复合材料含有金属化合物）和插层反应机制。合金/转化反应机制主要发生在碳基复合材料中的金属/金属化合物上。通常，合金/转化反应会增加碳基复合材料的比容量，但同时会带来不可逆的体积膨胀效应，降低电极的使用寿命。插层反应机制主要发生在碳材料中。钠离子通过插层，吸附和孔填充三种行为被存储在碳材料中，然而目前碳基材料在放电平台中的钠离子储存机理尚不清楚。未来需要通过原位表征技术或理论计算模型进一步阐明相关储存机制。
图2. 碳基复合材料储钠机理示意图。
02
碳材料及其复合材料的结构设计
碳材料具有来源广、成本低、循环效率高、结构稳定和易于调节等优点，在复合材料中通常充当基板或框架。同时，碳材料的性质直接影响碳基复合材料的整体性能。通过碳骨架的设计，包括碳层间距控制、孔结构优化、杂原子掺杂，和复合材料的选择，包括构建碳-碳复合材料、碳-合金复合材料、碳-转化复合材料、碳-钛复合材料、碳-MXene复合材料，可实现对钠离子的存储优化。详细介绍了各调控方法的优势，以及可能存在的一些问题。
图3. 碳基材料基底设计示意图。
03
碳基复合材料在柔性钠离子电池中的应用
随着柔性电子的迅速发展，柔性钠离子电池作为新型储能器件，近年来得到了广泛关注。由于碳基复合材料具有优异的机械柔韧性和导电性，研究者已探索将其用于制造柔性钠离子电池。本文系统介绍了目前已被应用于柔性钠离子电池电极的碳基复合材料，对比了每种碳基复合材料的性能优势，探讨了碳基复合材料阳极在钠离子电池中应用的商业化前景。相关结论如下图所示。
图4. 本文主要结论一览图。
总结与展望
碳基复合材料在柔性钠离子电池领域中具有良好的发展前景，但仍然面临着一些挑战。例如，1）如何设计具有良好性能的碳基体，为复合材料的性能提升提供支撑仍然值得进一步研究；2）在充放电循环过程中，碳基复合材料的体积膨胀仍需被关注；3）碳基复合材料低的首周库伦效率仍是未来需要解决的重点问题。对于柔性钠离子电池，碳基复合材料在其中的应用仍处于初级研究阶段。如何继续优化碳基复合材料的电化学性能和机械柔韧性仍然是未来需开展的课题。尽管存在诸多挑战，碳基复合材料有望在未来商业钠离子电池和柔性电子器件中规模化应用。
原文信息
相关成果以“Recent progress in carbon-based composite materials for advanced sodium ion batteries: from storage mechanism to structural design to applications as flexible electrodes”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为中国计量大学李允超副研究员和浙江大学吴昂键副教授。
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https://doi.org/10.1016/j.gee.2024.09.007
撰稿：原文作者
编辑：GEE编辑部
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