周艳萍&芮先宏AFM: 石墨基金属离子电池的结构工程

石墨衍生的碳材料由于良好的机械和电化学性能、成本效益、重量轻和环境友好等优点，在金属离子电池中得到了广泛的应用。虽然天然石墨已在锂离子电池中得到商业应用，但其较小的层间距阻碍了在其他金属离子电池中的应用。

在此，四川大学周艳萍副教授及广东工业大学芮先宏教授等人全面总结了石墨和电解液的结构工程，以提高石墨作为锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）、钾离子电池（PIBs）负极材料和双离子电池（DIBs）正极材料的电化学性能。

首先介绍了石墨的结构工程，包括膨胀石墨（EG）、石墨插层化合物（GICs）和多孔石墨（PG）的应用及作用机理并列出了它们的电化学性能以进行比较。

然后，讨论了电解液中盐和溶剂的影响。最后总结了石墨基材料在这些金属离子电池中的应用，并尝试提出一些进一步研究的前景。

图1. EG作为各种双离子电池正极材料的研究

作者对未来的研究方向和前景进行了如下展望：

（1）增大EG层间距是提高金属离子存储容量的好方法，在SIBs中应考虑层间距与引入的氧含量之间的平衡。此外，开展更先进的原位/非原位测试技术及理论计算分析EG储能机制和功能基团的作用也很重要；

（2）GIC的循环稳定性是一个挑战，可以尝试从EG制备GIC以获得高储钠性能。此外，充放电过程中产生的金属原子的影响也值得探讨；

（3）建议将PG的结构工程与EG和GIC相结合以产生更高的容量；

（4）醚基电解液可通过形成更稳定的三元插层复合物有效提高电池的电化学性能，因此，将石墨基材料的结构工程与电解液工程相结合也是一种有前景的策略。

图2. 醚基电解液与传统碳酸盐电解液的对比

Structural Engineering in Graphite-Based Metal-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202107277

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