石墨烯基電極及市場調(diào)查

在二維石墨烯類材料中，過渡金屬碳化物被認為是一種極具潛力的儲能材料。它們的高導電性、熱穩(wěn)定性、表面積和表面化學性質(zhì)在開發(fā)成器件時會產(chǎn)生高體積電容。

石墨烯是一種神奇的材料，在一個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械柔韌性、導電性、表面體積比、離子電導率和理論電容，在電池和超級電容器等儲能設(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、柔性載體和導電添加劑。

石墨烯基電極及市場調(diào)查

據(jù)報道，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、表面功能化基團等。這些改變進一步產(chǎn)生了材料性能的巨大變化，從而影響了器件性能。

最近在《財富商業(yè)洞察》2022年發(fā)表的2019年至2021年石墨烯電池市場調(diào)查報告顯示，石墨烯增強電池市場有所增長。（https://www.fortunebusinessinsights.com/graphene-battery-market-105711）

報告指出，對消費電子產(chǎn)品和電動汽車的需求增加。需求的增加進一步增加了政府對石墨烯電池研究的研發(fā)資金。然而，可以彌合實驗室規(guī)模石墨烯研究與實際應(yīng)用之間差距的研究突破尚未到來。

二維材料中電荷的量子限制與其他維度材料相比具有無與倫比的特性。二維石墨烯模擬材料已經(jīng)報道了高的表面體積比，增加的活性位點和良好的導電性。在電化學存儲設(shè)備中使用時，它們在充放電過程中表現(xiàn)出增加的反應(yīng)動力學。

報道了由石墨烯片組成的鋰離子電池的高理論存儲電容為744 mAhg-1。據(jù)報道，石墨烯儲能系統(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驗工作，如單層、三層和五層，報道為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)報道，通過雜原子摻雜(例如氮和硼)對石墨烯片進行表面修飾，可以調(diào)整石墨烯的表面性質(zhì)，從而增強1040 mA.h.g-1的可逆電容。人們還開發(fā)了許多其他技術(shù)來修飾石墨烯片，以提高電化學存儲設(shè)備的存儲效率。

用于儲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、過渡金屬二鹵代化物、過渡金屬氧化物、過渡金屬碳化物、過渡金屬氮化物、硅烯和磷烯已被報道作為電化學存儲設(shè)備的活性電極材料具有良好的性能。

過渡金屬碳化物，一種很有前途的材料

二維碳化物具有電化學循環(huán)穩(wěn)定性好、成本低、親水性強、容量和效率高等優(yōu)點，是開發(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）被報道為鋰離子電池（LIB），硫離子電池（SIB），鋰硫電池（LSB）和超級電容器等儲能器件的電極材料和導電粘合劑。

低分子量過渡金屬碳化物是最有前途的儲能材料。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。

過渡金屬碳化物的表面功能化和層間距工程是提高過渡金屬碳化物電化學性能的技術(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，報道了獨立式Ti3C2Tx紙電極的容量電容為300-400 F.cm-3。報告的數(shù)值超過了所有碳基雙層電電容器報告的數(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.）

過渡金屬碳化物與碳基材料的雜化可以提高電化學和力學性能。在Mashtalir等人的工作中，他們報告了采用過渡金屬碳化物與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.）

過渡金屬碳化物在儲能中的應(yīng)用前景

過渡金屬碳化物的合成過程產(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發(fā)等應(yīng)用中的材料加工性。

二維過渡金屬碳化物的高電子導電性和氧化還原活性過渡金屬原子的存在使其非常適合用于儲能器件的電極應(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)、離子和無機液體電解質(zhì))中報告了優(yōu)異的體積電容。可以開發(fā)這些材料中報道的贗電容，以在更高的充電速率下獲得高能量密度。

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

編輯：黃飛

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