张山青、窦玉海Chem. Rev.：用于下一代可充电电池的原子级超薄材料

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张山青、窦玉海Chem. Rev.：用于下一代可充电电池的原子级超薄材料
原子级厚度（通常<5 nm）的超薄材料 (ATM) 具有比表面积大、适当的晶格畸变、丰富的表面悬挂键和强大的面内化学键等固有优势，使其成为构建用于可充电金属-离子/硫/空气电池高性能电极材料的理想二维平台。
张山青、窦玉海Chem. Rev.：用于下一代可充电电池的原子级超薄材料
在此，澳大利亚格里菲斯大学张山青教授、窦玉海等人及时系统地总结了用于可充电电池ATMs的最新进展。首先介绍了ATMs的分类和存储机制，包括石墨烯和石墨烯衍生物 (GE/GO/rGO)、石墨氮化碳 (gC3N4)、磷烯、共价有机骨架 (COF)、层状过渡金属二硫属化物 (TMD)、过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物 (MXene)、过渡金属氧化物 (TMO) 和金属有机骨架 (MOF)等。
然后介绍了ATMs三种类型的合成方法，即自上而下的剥离、自下而上的组装和拓扑化学转化。接着概括了多种电子结构调控策略，最后揭示了电子结构调控与电化学储能性能之间的关系，列出了其在新一代高能量/功率密度充电电池中的应用。
张山青、窦玉海Chem. Rev.：用于下一代可充电电池的原子级超薄材料
图1. 用于下一代可充电电池ATM的固有理化特性和优势
尽管在该领域已取得了重大进展，但要进一步实现商业化还需要克服许多挑战：
（1）应开发更广泛的ATM，包括分层和非分层的，需要改进现有合成方法和发明新的合成技术。
（2）ATM 的厚度、横向尺寸、结晶度等，应通过精确改进合成条件来精确控制。
（3）通过引入缺陷结构来合理调整电子结构，包括但不限于空位、掺杂剂、应变、表面官能团、边界、边缘、扩展的夹层和异质界面。
（4）先进的STEM、原位/operando表征技术研究原子级缺陷结构及反应过程中的过渡态，提供对缺陷/结构演变和真实活性位点的深入了解。
（5）采用DFT计算在理论上揭示电子结构与储能性能之间的关系。
（6）商业上对大规模和低成本生产的ATM需求量很大。
（7）应更重视钠离子电池、锌电池等资源丰富、能量密度高、安全性高的电池系统。
（8）加强产学研合作，促进先进ATM电极和新电池技术的研发。
张山青、窦玉海Chem. Rev.：用于下一代可充电电池的原子级超薄材料
图2. 常见ATM的晶体结构及分类
Atomically Thin Materials for Next-Generation Rechargeable Batteries, Chemical Reviews 2021. DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00636

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