有很多關(guān)于放棄碳作為能源的研究，但如果相反，正在使用的碳被充分利用呢?

碳作為能源的重要性不容低估。不幸的是，對(duì)這些碳基材料的依賴已被證明對(duì)環(huán)境造成災(zāi)難性的影響，特別是在全球范圍內(nèi)消耗它們的數(shù)量。因此，必須研究替代手段。上部結(jié)構(gòu)碳(SCC)是一種以更高效和“綠色”的方式使用碳的可能方法，可以超越能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換裝置中標(biāo)準(zhǔn)材料的當(dāng)前性能和壽命。

研究人員于 1 月 30 日在《能源材料與設(shè)備》雜志上發(fā)表了研究結(jié)果。

SCC 的結(jié)構(gòu)和性能以及整體概念都是多方面的。首先，它們確實(shí)是碳。雖然這看起來不像是減少總體碳依賴的一步，但它是一種使碳更有意地使用、具有更直接功能的方法，從而帶來更好的性能和功能。

該研究的研究員兼作者 Debin Kong 表示：“這一獨(dú)特的類別滿足了高性能設(shè)備的特定功能需求，并超越了傳統(tǒng)碳的剛性結(jié)構(gòu)。”

SSC 是碳基材料，專門針對(duì)與其連接的材料而構(gòu)建，無論是鋰離子 (Li) 電池、硫化鋰 (LiS) 電池還是金屬空氣電池。

研究人員提出，這些SCC的成功開發(fā)和實(shí)施具有三個(gè)主要特征：精確定制的孔隙、自由調(diào)整的框架和高度耦合的界面。

與傳統(tǒng)碳材料相比，精確定制的孔隙具有提高表面利用率和傳質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。使用多孔碳作為儲(chǔ)能設(shè)備(如電池)中活性材料的一部分可以改善材料的比容量等指標(biāo)。比容量是每克材料重量可以傳遞到材料的電荷量。自由調(diào)整的框架對(duì)于允許材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)(包括碳單元和電極)之間的快速電子轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。最后，高度耦合的界面可以進(jìn)一步改善電子傳輸，這是改善電池整體功能和性能的重要因素。協(xié)同工作良好的界面使電化學(xué)反應(yīng)更容易發(fā)生，并且不會(huì)出現(xiàn)聚集或納米粒子簇形成等問題。

Kong說：“總的來說，SSC的概念提供了一種解決當(dāng)前碳所面臨問題的方法，這對(duì)于未來先進(jìn)碳及其相關(guān)高性能能源相關(guān)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用非常重要。”

研究人員的目的不僅僅是通過這次審查來改進(jìn)碳基活性材料，而是希望創(chuàng)造碳結(jié)構(gòu)的新高度。性能突破是最終目標(biāo)，旨在打破能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的性能瓶頸。然而，隨著進(jìn)一步的研究，總會(huì)有一些困難需要考慮，也總會(huì)有一些問題需要解決。

最重要的是要考慮的是不同的設(shè)備有不同的需求。Li、LiS和金屬-空氣電池可能都與SCC有不同的關(guān)系，需要充分充實(shí)以確保適用性和兼容性。此外，在 SCC 成為實(shí)用且廣泛的解決方案之前，需要對(duì)其成本和性能進(jìn)行檢查。這可以包括改進(jìn)制備工藝和降低成本和簡(jiǎn)化生產(chǎn)所需的前體。需要進(jìn)一步研究的另一點(diǎn)是對(duì)碳微觀結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)演變的整體理解，具體取決于所使用的碳前體。

清華大學(xué)深圳吉姆石墨烯中心和功能化碳材料工程實(shí)驗(yàn)室的Debin Kong、Wei Lv、Yanbing He和Feiyu Kang，以及中國(guó)石油大學(xué)新能源學(xué)院的Debin Kong、Ruliang Liu、Dingcai Wu，中山大學(xué)材料科學(xué)研究所的付若文、中國(guó)科學(xué)院沉陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的李峰以及天津化工學(xué)院納米陽(yáng)課題組的楊全宏大學(xué)都為這項(xiàng)研究做出了貢獻(xiàn)。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、山東省泰山學(xué)者項(xiàng)目使此項(xiàng)研究成為可能