大比表面积碳材料的结构和性能

超级电容器、锂离子电池、锂硫电池和锌空气电池的发展历程均与碳材料紧密相关。例如，首个获得专利的电化学电容器就采用了具有大比表面积的活性炭作为电极材料。此外，在电池技术的整体发展中，各种高比表面积的碳材料发挥了关键作用。特别是在锂离子电池和锌空气电池领域，碳材料的高比表面积不仅为能量存储提供了空间，还能负载功能性材料以形成性能更优的复合材料。

大比表面积碳材料的结构和性能

多孔碳的比表面积主要来源于具有碳维度特征的孔隙，如低维碳（0D、1D 和 2D）的固体表面孔隙和高维碳（3D）的空间孔隙。了解孔隙可为合理设计大比表面积碳材料提供基本见解。例如，在理想情况下，碳的比表面积与超级电容器的比电容成正比。然而，在实际中，多孔碳材料并不总是显示出与其比表面积相对应的合理比容量，因为一些尺寸不合格的孔隙无法被电解质离子进入 。在本章中，我们将更关注具有高孔隙结构利用率的大比表面积碳材料的设计，而不是简单的描述。

· 大比表面积碳材料的结构设计

作者认为要想获得具有优异储能性能的碳材料，研究者需要深入理解并精心设计材料的孔结构、表面/界面性能、电导率、机械稳定性和体积密度等关键参数。

（1）孔结构。孔尺寸、孔的几何形状及连通性和孔隙率都属于孔结构的范畴，这些因素对电解质离子可及性和比表面积均有重要影响，是储能应用的重要参数。

（2）表面/界面性能。表面或界面性能是影响能量存储性能的重要因素，因为它们决定了电极材料的电解质润湿性。通过表面/界面原子工程和分子修饰等策略可以诱导具有协同效应的特定物理化学性质，以提供有效的表面/界面性质来制备多功能和多维复合材料。

（3）电导率，机械稳定性和体积密度。导电性对于提升储能器件的电子传输效率至关重要，这要求电极材料内部必须形成连续且高效的电子传导路径。在具有大比表面积的碳材料中，石墨化程度及孔隙结构是构建有效导电网络的两个核心要素。仅针对单一因素进行优化往往难以达到理想的电导率水平。此外，为了确保良好的循环寿命和较高的能量密度，设计时还需考虑增强材料的结构稳定性和提高其堆积密度。

综上所述，要获得优异的储能电极材料综合性能，大比表面积碳材料需要满足以下几个条件：首先，孔结构应具有合适的尺寸、几何形状、连通性和孔隙率，以确保电解质离子的有效传输；其次，表面/界面性能应具有良好的电解质润湿性和导电性；最后，电导率、机械稳定性和体积密度应在设计中应得到充分考虑和优化。通过综合考虑这些因素，可以制备出具有优异储能性能的碳材料。

· 大比表面积碳材料的合成策略与应用

针对大比表面积碳材料的合成，作者对最近的相关研究进展进行了总结与讨论，不仅包括传统的活化法和模板法，还提出了利用sp²碳来构建碳建筑体（如插层法和组装法）的方法。在传统的模板法中，已经有大量的研究采用硬模板和软模板策略实现大比表面积碳材料的制备。然而，作者认为，金属有机框架材料和有机小分子在制备大比表面积碳材料方面更具潜力，因为这类材料的孔结构和表面性质更容易在分子水平上进行调控。低维碳材料，如0D C₆₀、1D碳纳米管和2D石墨烯，往往会自发组装形成具有高堆积密度的3D结构，展现出了其在小型化器件中的实际应用潜力。然而，堆叠结构的比表面积有限，离子扩散较差，导致储能性能较差。利用sp²碳来构建碳建筑体的方法提供了一种制备大比表面积多孔碳而不破坏固有的导电性网络的可行方法。然而，这种策略虽在一定程度上提高了所得碳的比表面积，但其值仍然限制在小于1000 m²·g^‒1。要想突破比表面积的限制，需要进一步发展插层分子体系和组装方法。此外，作者还对各类大比表面积碳及碳复合材料在超级电容器、锂离子电池、锂硫电池和锌空气电池中的应用研究进展进行了总结，并着重讨论了针对不同应用可以采用的改性策略。

· 总结与展望

作者认为性能的组合不是一个简单固定的公式，而是一个寻求更平衡策略的过程，其目标是提高每个点的利用率，以达到储能的最佳性能。根据上述平衡策略理论，虽然已经提出了多种制备策略（活化法、模板复制法、插层法和三维组装法）来构建大型SSA碳材料，但仍存在一些挑战和困难需要突破，后续的研究应着眼于：

（1）比表面积、孔隙结构和导电性的综合考量 尽管在大比表面积碳及碳基材料的制备方面有诸多工作，但由于对复杂相互作用的理解有限，对于包括比表面积、孔隙结构和导电性在内的几个关键要点缺乏综合考量。众所周知，大比表面积多孔碳可以使用不同的制备策略、前驱体和热解程序来制备。一方面，这可被视为进一步研究的优势，但平衡控制缺乏灵活性可能是不利因素，因为不同的结构特性会导致不同的目标性能，进而可能影响实际应用。因此，进一步的研究应侧重于设计一套完整的系统，以确保大比表面积多孔碳的全面优化。（2）合成机制 为了精确合成大比表面积碳的结构，支配其设计的一般原则应加以完善。制备策略、前驱体和热解程序是制备用于储能装置的大比表面积碳的重要参数，因为它们对孔隙结构、形貌和表面/界面性质有调节作用。例如，通过不同的制备方法和热解程序，使用相同的前驱体可以制备出具有不同孔隙结构、形貌和表面/界面性质的大比表面积碳，以满足不同储能应用的要求。然而，对合成机制缺乏进一步的理解极大地限制了大比表面积多孔碳的设计。因此，进一步的研究应致力于探索孔隙发展机制，特别是前驱体结构的影响以及不同热解过程中前驱体的结构转变。（3）表面/界面构建 碳材料与活性成分之间的表面/界面在储能装置的性能中起着至关重要的作用。从合成技术来看，源于物理相互作用的传统表面/界面相对简单，但由于吸引力较弱容易被破坏。为解决此问题，减小活性物质的尺寸是提高碳表面与活性成分之间界面相互作用的有效途径。虽然化学键合能有效加速电子传输并避免活性材料的脱落，但构建化学键合由于其复杂且综合性的过程仍然是一个重大挑战。此外，电解质与碳之间的表面/界面也应受到关注，主要侧重于孔隙结构和表面性质以改善离子传输。因此，进一步的研究应聚焦于大比表面积碳的表面/界面构建，这有利于优化大比表面积多孔碳在超级电容器、锂离子电池、锂硫电池和锌空气电池中的性能。（4）大规模生产 新材料的工业化必须突破大规模的门槛。在本综述中，已提出活化、模板和插层策略来制备用于储能应用的大比表面积多孔碳。但是，所有这些方法都需要对合成条件进行精确调控，如高温和惰性气氛。合成和后处理过程中产生的废物污染需要使用一系列特定程序进行收集和净化处理。此外，还应考虑安全处置问题。因此，大比表面积碳的未来发展也应侧重于采用环保策略并回收资源（如废气、废水和残渣）的大规模生产。

范壮军，中国石油大学（华东）/哈尔滨工程大学教授，博士生导师。近年来致力于纳米碳的可控制备以及在超级电容器、锂/钠电池以及光电催化等领域基础应用研究，发表论文200余篇，引用30000余次。入选“科睿唯安”以及“爱思唯尔”材料类高被引学者榜单，3次获得黑龙江省自然科学一等奖。

黄毅超，中国石油大学（华东）特任教授，硕士生导师，中国化学会高级会员，山东省“泰山学者”青年专家，山东省高等学校“氢能先进催化材料青创团队”负责人。近年来致力于多酸化学合成和高效稳定经济的氢能电催化材料的研发，以期实现电解水制氢和燃料电池关键电催化材料的降本增效。相关研究成果在Nat. Commun., Adv. Energy Mater., Coordin. Chem. Rev.和Adv. Sci.等催化、材料和化学领域高影响力期刊上发表SCI学术论文30余篇，3篇入选全球ESI TOP1%高被引论文。

耿迪，哈尔滨学院讲师。研究方向主要为纳米材料设计及其在能源存储与转化方面的应用研究。

来源：Carbon Future