石墨烯基電極及市場(chǎng)調(diào)查

在二維石墨烯類材料中，過(guò)渡金屬碳化物被認(rèn)為是一種極具潛力的儲(chǔ)能材料。它們的高導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、表面積和表面化學(xué)性質(zhì)在開(kāi)發(fā)成器件時(shí)會(huì)產(chǎn)生高體積電容。

石墨烯是一種神奇的材料，在一個(gè)原子厚的二維層中顯示出許多吸引人的特性。由于其具有較高的機(jī)械柔韌性、導(dǎo)電性、表面體積比、離子電導(dǎo)率和理論電容，在電池和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能設(shè)備中有著巨大的應(yīng)用。石墨烯在這些器件中的具體作用分為活性材料、柔性載體和導(dǎo)電添加劑。

石墨烯基電極及市場(chǎng)調(diào)查

據(jù)報(bào)道，石墨烯的性能高度依賴于所采用的合成工藝，該工藝改變了堆疊中石墨烯的層數(shù)、層尺寸、層中的缺陷、褶皺、表面功能化基團(tuán)等。這些改變進(jìn)一步產(chǎn)生了材料性能的巨大變化，從而影響了器件性能。

最近在《財(cái)富商業(yè)洞察》2022年發(fā)表的2019年至2021年石墨烯電池市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告顯示，石墨烯增強(qiáng)電池市場(chǎng)有所增長(zhǎng)。（https://www.fortunebusinessinsights.com/graphene-battery-market-105711）

報(bào)告指出，對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)的需求增加。需求的增加進(jìn)一步增加了政府對(duì)石墨烯電池研究的研發(fā)資金。然而，可以彌合實(shí)驗(yàn)室規(guī)模石墨烯研究與實(shí)際應(yīng)用之間差距的研究突破尚未到來(lái)。

二維材料中電荷的量子限制與其他維度材料相比具有無(wú)與倫比的特性。二維石墨烯模擬材料已經(jīng)報(bào)道了高的表面體積比，增加的活性位點(diǎn)和良好的導(dǎo)電性。在電化學(xué)存儲(chǔ)設(shè)備中使用時(shí)，它們?cè)诔浞烹娺^(guò)程中表現(xiàn)出增加的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

報(bào)道了由石墨烯片組成的鋰離子電池的高理論存儲(chǔ)電容為744 mAhg-1。據(jù)報(bào)道，石墨烯儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能隨著石墨烯片形態(tài)的變化而變化。在不同的石墨烯薄片電極層上的實(shí)驗(yàn)工作，如單層、三層和五層，報(bào)道為1,175、1,007和842 mAhg-1。（Dong, Y., Wu, Z.S., Ren, W., Cheng, H.M. and Bao, X., (2017). Graphene: a promising 2D material for electrochemical energy storage.?Science Bulletin,?62(10), pp.724-740.?）

據(jù)報(bào)道，通過(guò)雜原子摻雜(例如氮和硼)對(duì)石墨烯片進(jìn)行表面修飾，可以調(diào)整石墨烯的表面性質(zhì)，從而增強(qiáng)1040 mA.h.g-1的可逆電容。人們還開(kāi)發(fā)了許多其他技術(shù)來(lái)修飾石墨烯片，以提高電化學(xué)存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)效率。

用于儲(chǔ)能的石墨烯類似材料

許多石墨烯類似物二維材料，如金屬硫化物、過(guò)渡金屬二鹵代化物、過(guò)渡金屬氧化物、過(guò)渡金屬碳化物、過(guò)渡金屬氮化物、硅烯和磷烯已被報(bào)道作為電化學(xué)存儲(chǔ)設(shè)備的活性電極材料具有良好的性能。

過(guò)渡金屬碳化物，一種很有前途的材料

二維碳化物具有電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性好、成本低、親水性強(qiáng)、容量和效率高等優(yōu)點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)電極的重要材料之一。

二維金屬碳化物和氮化物（通常稱為MXenes）被報(bào)道為鋰離子電池（LIB），硫離子電池（SIB），鋰硫電池（LSB）和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能器件的電極材料和導(dǎo)電粘合劑。

低分子量過(guò)渡金屬碳化物是最有前途的儲(chǔ)能材料。碳化鈦(Ti2C)、碳化鈮(Nb2C)、碳化釩(V2C)和碳化鈧(Sc2C)等材料就是其中的幾個(gè)。

過(guò)渡金屬碳化物的表面功能化和層間距工程是提高過(guò)渡金屬碳化物電化學(xué)性能的技術(shù)之一。Ti3C2Tx是目前研究較多的一類電容器。在Ghidiu等人的工作中，報(bào)道了獨(dú)立式Ti3C2Tx紙電極的容量電容為300-400 F.cm-3。報(bào)告的數(shù)值超過(guò)了所有碳基雙層電電容器報(bào)告的數(shù)值。（Ghidiu, M., Lukatskaya, M.R., Zhao, M.Q., Gogotsi, Y. and Barsoum, M.W., (2014). Conductive two-dimensional titanium carbide ‘clay’ with high volumetric capacitance.?Nature,?516(7529), pp.78-81.）

過(guò)渡金屬碳化物與碳基材料的雜化可以提高電化學(xué)和力學(xué)性能。在Mashtalir等人的工作中，他們報(bào)告了采用過(guò)渡金屬碳化物與5-10%重量的碳納米管、石墨烯和類洋蔥碳雜交電極的鋰離子電池和電容器的容量和穩(wěn)定性的提高。（Mashtalir, O., Lukatskaya, M.R., Zhao, M.Q., Barsoum, M.W. and Gogotsi, Y., (2015). Amine‐assisted delamination of Nb2C MXene for Li‐ion energy storage devices.?Advanced Materials,?27(23), pp.3501-3506.）

過(guò)渡金屬碳化物在儲(chǔ)能中的應(yīng)用前景

過(guò)渡金屬碳化物的合成過(guò)程產(chǎn)生了分散良好且穩(wěn)定的膠體溶液，從而增加了其在印刷電極以及涂層和薄膜開(kāi)發(fā)等應(yīng)用中的材料加工性。

二維過(guò)渡金屬碳化物的高電子導(dǎo)電性和氧化還原活性過(guò)渡金屬原子的存在使其非常適合用于儲(chǔ)能器件的電極應(yīng)用。

這些材料在不同的電解質(zhì)設(shè)置(如硫酸電解質(zhì)、水電解質(zhì)、離子和無(wú)機(jī)液體電解質(zhì))中報(bào)告了優(yōu)異的體積電容。可以開(kāi)發(fā)這些材料中報(bào)道的贗電容，以在更高的充電速率下獲得高能量密度。

許多已發(fā)現(xiàn)的二維過(guò)渡金屬碳化物作為電化學(xué)儲(chǔ)能器件的電極材料尚待探索。更好地分析和理解二維過(guò)渡金屬碳化物層之間的離子傳輸動(dòng)力學(xué)可以促進(jìn)高效電池和超級(jí)電容器的發(fā)展。

編輯：黃飛

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