不断增长的能源需求促使人们寻求廉价，安全，可扩展和高性能的可充电电池。碳材料由于其资源丰富、成本低、无毒性和电化学性质多样等优点，已被广泛应用于各种电池的电极材料。通过在低氧化还原电势下使用可逆的施主型阳离子嵌入/脱嵌（包括Li⁺，Na⁺和K⁺），碳材料可以用作“摇椅”碱金属离子电池的理想阳极。同时，在高氧化还原电势下，阴离子在石墨碳材料中的受体型嵌入也是一个易于进行的可逆过程。基于阴离子插层石墨碳材料，许多双离子电池和Al离子电池技术正在蓬勃发展。

有鉴于此，德累斯顿工业大学冯新亮教授和Minghao Yu等人，综述了近年来炭材料在多孔结构、化学成分、层间距控制等方面取得的重要进展。

本文要点

1）通过阐述电化学，插层效应和插层形式，进一步探讨了碳材料作为阳离子主体和阴离子主体的基本机理。随后，介绍了新型碳纳米结构和碳源储能器件的最新进展，特别强调了其结构与电化学性能之间的关联，以及器件结构、电化学反应和性能指标的评估。最后，提出了对目前仍存在的挑战的展望。

2）由于丰富的储量，成本低廉，结构可调整性以及多种氧化还原电化学（阳离子嵌入和阴离子嵌入），碳材料在众多可充电储能技术的应用中拥有巨大的机遇。当前，锂离子电池（LIB）在可充电电池市场中占主导地位，而后LIB（包括NIB，KIB，DIB和AIB）在特定应用领域也显示出巨大潜力。后LIB的能量密度仍有待提高，以与LIB竞争，但成本可以大大降低。在这方面，碳电极的利用将增强后LIB的低成本优势，促进其快速商业化。在供体型插层的情况下，碳材料作为碱金属阳离子(Li⁺，Na⁺和K⁺)的优良阳极宿主。应该指出的是，具有部分石墨化性能的无序碳在阳离子插层碳的研究中占据主导地位，因为这些无序碳材料具有丰富的活性位点和缩短的扩散路径。最先进的无序碳阳极已显示出创纪录的高可逆容量（> 1000 mA h g^-1）和超长循环稳定性（> 1000个循环）。

3）对于受体型插层，其机理研究和相应的储能装置(DIBs和AIBs)是研究的重点。与传统的LIBs中富锂过渡金属氧化物阴极相比，石墨碳阴极的主要优点是高工作电位、优异的导电性、高结构/化学稳定性和优异的相容性。通过将石墨碳与适当的阳极材料和特定的电解质体系配对，可以构建各种DIB/AIB，以实现特定的性能，例如不燃性，极性可转换性，快速充电能力，柔韧性以及在极端温度下的运行。纳米结构碳具有设计良好的多孔通道、结晶度和化学成分，由于其易于进行体积调节和离子扩散，因此在阴离子存储方面显示出令人印象深刻的循环和速率性能。值得注意的是，由于纳米结构碳的密度低，其体积容量有待进一步提高。杂原子掺杂对石墨碳的影响在碳阳极中得到了广泛的研究，但对碳阴极的影响尚不清楚。

总之，该工作有望加速新的碳材料概念和碳衍生电池技术的发展，以实现商业化应用。

参考文献：

Gang Wang et al. Carbon materials for ion-intercalation involved rechargeable battery technologies. Chem. Soc. Rev., 2020.

DOI: 10.1039/D0CS00187B

https://doi.org/10.1039/D0CS00187B