二次电池已被广泛开发并应用于各种领域，如大规模储能、便携式电子产品和电动汽车。碳基材料由于其丰富、环境友好、结构可调和优异的化学稳定性而引起了广泛关注。除了用于电池和超级电容器的商业碳之外，许多研究集中在具有各种结构的用于电化学储能的先进多功能碳材料。

有鉴于此，美国东北大学祝红丽教授等人，综述了零到三维碳基材料，并根据其结构特点综述了其各种电化学应用。讨论了碳结构的重要性以及材料结构与电化学性能之间的关系。然后，进一步讨论了设计和开发具有高电化学性能的新型碳质材料的前景和潜在挑战。

本文要点

1）不同结构的碳质材料可作为活性材料和导电添加剂，既可存储碱性离子，又可容纳不同的其他活性材料，以提高电池性能。此外，碳质材料还可以作为基体，以获得长循环寿命和高比容量方面的优异电化学性能。0D球状多孔碳由于其0D结构特征可以改善活性材料和电解质之间的接触，从而改善电极中的电子和离子传导。此外，球形结构可以提供足够的空间容纳活性物质，如硫阴极和硅阳极，最大限度地减少了活性物质的溶解、体积变化、梭效应和粉化造成的容量损失。因此，可以获得更高的可逆容量和更稳定的循环性能。一维碳质材料具有比表面积大、导电性优良的特点。一维碳的渗流缩短了沿纤维方向的电子传输，促进了快速离子传输，从而提高了电池的高倍率性能。渗透网络通过纤维间的孔隙提供了良好的电子转移和电解质可及性。二维碳材料，如石墨烯和 rGO，具有高比表面积、良好的导电性和二维层状结构。二维堆叠石墨烯为电化学反应提供了足够的活性位点，其可逆容量在很大程度上取决于石墨烯纳米片的 d 间距。此外，具有高比表面积的二维层状结构为超级电容器提供了更多的离子吸收位点。二维层压结构是一种很有前途的策略，以提高可逆容量和保护阴极材料，从而提高电池性能。3D 多孔大块碳质材料具有明确的通道和多孔互连结构，具有良好的电解质润湿性和离子输运性，并具有良好的导电性。

2）尽管近年来用于高性能电极材料的碳基材料取得了相当大的进展，但未来仍需进一步解决一些挑战。在碱性离子电池中，已经研究了不同的碳材料作为负极并实现了高可逆容量。然而，不同碱性离子（Li⁺、Na⁺、K⁺）在不同碳质材料（软碳和硬碳）中的储存机制仍有待进一步研究，这对于设计用于储能装置的碳质材料具有重要意义。此外，虽然具有特殊结构的碳基材料可以表现出优异的电化学性能，但这些碳质材料大多需要一系列合成工艺，这对低成本、大规模制造和工业化具有挑战性。开发一种低成本且简便的方法来大规模制造用于储能的高性能碳至关重要。除了以上所讨论的碳材料外，还出现了许多新型碳材料，如金属有机骨架材料(MOF)和氟掺杂碳材料，也被用于储能设备。 MOF 衍生的碳材料具有各种结构形态和可调的孔道和孔尺寸。氟掺杂碳基材料是近年来发展起来的储能器件电极材料。与掺杂其他元素不同，在碳材料中掺杂 F 可以显着提高碳材料的化学稳定性和导电性。

参考文献：

Yuyue Zhao et al. Versatile zero- to three-dimensional carbon for electrochemical energy storage. Carbon Energy, 2021.

DOI: 10.1002/cey2.137

https://doi.org/10.1002/cey2.137