多孔道二維納米材料的電化學儲能應用

二維納米材料，例如石墨烯、過渡金屬硫化物等，具有許多獨特的物理、化學和電學性能。相比體相材料，二維納米材料具有更多的比表面積和活性位點，開放的離子擴散通道，這使得鋰離子（和堿金屬離子）的快速傳輸和高效儲存成為可能。盡管如此，二維材料中存在的權限仍然限制了其在電化學儲能方面的應用，例如在電極處理和組裝過程中，二維材料會重新堆積并聚合，導致材料的電化學活性面積顯著降低，離子傳輸路徑變長, 動力學減慢；此外，二維納米材料高的比表面積可能消耗更多的電解液用于形成SEI，導致不必要的副反應。因此，構筑兼具高能量密度和高倍率性能的高效能量存儲器件仍然是一項艱巨的挑戰。

為解決上述問題，二維納米材料的孔道調控與設計使得其在電化學儲能應用上呈現出全新的面貌。相比于具有平滑表面的二維納米片，多孔二維納米材料可以為電化學儲能應用提供諸多結構優勢（如圖示）：首先，多孔二維納米結構為電化學反應提供了大的有效表面積和豐富的活性位點，這對提高特定的能量密度有顯著的貢獻。其次，多孔道二維納米材料可確保電解液對電極表面的有效浸潤和滲透，促進電極-電解液界面間的快速電荷轉移。第三，多孔二維納米材料可顯著緩解二維納米材料的重新堆積問題，其內部開放的結構能夠打開阻塞的活性表面以改善離子存儲。最后，多孔二維納米材料中的孔道結構有助于緩解電極材料，尤其是基于轉換/合金化的負極材料，在電化學過程中的體積變化，從而賦予多孔二維納米材料優越的力學性能，并改善其在電化學充放電周期中的結構降解。

近日，德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授（http://yugroup.me.utexas.edu/）和彭樂樂博士梳理了近來多孔二維納米材料作為電化學儲能應用的最新研究進展，歸納了多孔二維納米材料的合成途徑包括化學腐蝕法，水熱/溶劑熱法，模板法；討論了二維多孔材料的通用結構設計準則與其在電化學儲能上存在的優勢與特性。同時，作者還詳細介紹了二維多孔納米材料作為電化學儲能器件的代表性工作，包括在電容器（包括雙電層電容器、贗電容器和離子電容器），鋰電池，鈉電池和其他新興電池技術（鋰硫電池與金屬-空氣電池）。最后，作者還對二維多孔納米材料在能量存儲和轉換方面的應用中存在的挑戰和前景做出了展望。

相關論文發表于Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201702179）上。