石墨烯基电极及市场调查

在二维石墨烯类材料中，过渡金属碳化物被认为是一种极具潜力的储能材料。它们的高导电性、热稳定性、表面积和表面化学性质在开发成器件时会产生高体积电容。

石墨烯是一种神奇的材料，在一个原子厚的二维层中显示出许多吸引人的特性。由于其具有较高的机械柔韧性、导电性、表面体积比、离子电导率和理论电容，在电池和超级电容器等储能设备中有着巨大的应用。石墨烯在这些器件中的具体作用分为活性材料、柔性载体和导电添加剂。

石墨烯基电极及市场调查

据报道，石墨烯的性能高度依赖于所采用的合成工艺，该工艺改变了堆叠中石墨烯的层数、层尺寸、层中的缺陷、褶皱、表面功能化基团等。这些改变进一步产生了材料性能的巨大变化，从而影响了器件性能。

最近在《财富商业洞察》2022年发表的2019年至2021年石墨烯电池市场调查报告显示，石墨烯增强电池市场有所增长。（https://www.fortunebusinessinsights.com/graphene-battery-market-105711）

报告指出，对消费电子产品和电动汽车的需求增加。需求的增加进一步增加了政府对石墨烯电池研究的研发资金。然而，可以弥合实验室规模石墨烯研究与实际应用之间差距的研究突破尚未到来。

二维材料中电荷的量子限制与其他维度材料相比具有无与伦比的特性。二维石墨烯模拟材料已经报道了高的表面体积比，增加的活性位点和良好的导电性。在电化学存储设备中使用时，它们在充放电过程中表现出增加的反应动力学。

报道了由石墨烯片组成的锂离子电池的高理论存储电容为744 mAhg-1。据报道，石墨烯储能系统的性能随着石墨烯片形态的变化而变化。在不同的石墨烯薄片电极层上的实验工作，如单层、三层和五层，报道为1,175、1,007和842 mAhg-1。（Dong, Y., Wu, Z.S., Ren, W., Cheng, H.M. and Bao, X., (2017). Graphene: a promising 2D material for electrochemical energy storage. Science Bulletin, 62(10), pp.724-740. ）

据报道，通过杂原子掺杂(例如氮和硼)对石墨烯片进行表面修饰，可以调整石墨烯的表面性质，从而增强1040 mA.h.g-1的可逆电容。人们还开发了许多其他技术来修饰石墨烯片，以提高电化学存储设备的存储效率。

用于储能的石墨烯类似材料

许多石墨烯类似物二维材料，如金属硫化物、过渡金属二卤代化物、过渡金属氧化物、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、硅烯和磷烯已被报道作为电化学存储设备的活性电极材料具有良好的性能。

过渡金属碳化物，一种很有前途的材料

二维碳化物具有电化学循环稳定性好、成本低、亲水性强、容量和效率高等优点，是开发电极的重要材料之一。

二维金属碳化物和氮化物（通常称为MXenes）被报道为锂离子电池（LIB），硫离子电池（SIB），锂硫电池（LSB）和超级电容器等储能器件的电极材料和导电粘合剂。

低分子量过渡金属碳化物是最有前途的储能材料。碳化钛(Ti2C)、碳化铌(Nb2C)、碳化钒(V2C)和碳化钪(Sc2C)等材料就是其中的几个。

过渡金属碳化物的表面功能化和层间距工程是提高过渡金属碳化物电化学性能的技术之一。Ti3C2Tx是目前研究较多的一类电容器。在Ghidiu等人的工作中，报道了独立式Ti3C2Tx纸电极的容量电容为300-400 F.cm-3。报告的数值超过了所有碳基双层电电容器报告的数值。（Ghidiu, M., Lukatskaya, M.R., Zhao, M.Q., Gogotsi, Y. and Barsoum, M.W., (2014). Conductive two-dimensional titanium carbide ‘clay’ with high volumetric capacitance. Nature, 516(7529), pp.78-81.）

过渡金属碳化物与碳基材料的杂化可以提高电化学和力学性能。在Mashtalir等人的工作中，他们报告了采用过渡金属碳化物与5-10%重量的碳纳米管、石墨烯和类洋葱碳杂交电极的锂离子电池和电容器的容量和稳定性的提高。（Mashtalir, O., Lukatskaya, M.R., Zhao, M.Q., Barsoum, M.W. and Gogotsi, Y., (2015). Amine‐assisted delamination of Nb2C MXene for Li‐ion energy storage devices. Advanced Materials, 27(23), pp.3501-3506.）

过渡金属碳化物在储能中的应用前景

过渡金属碳化物的合成过程产生了分散良好且稳定的胶体溶液，从而增加了其在印刷电极以及涂层和薄膜开发等应用中的材料加工性。

二维过渡金属碳化物的高电子导电性和氧化还原活性过渡金属原子的存在使其非常适合用于储能器件的电极应用。

这些材料在不同的电解质设置(如硫酸电解质、水电解质、离子和无机液体电解质)中报告了优异的体积电容。可以开发这些材料中报道的赝电容，以在更高的充电速率下获得高能量密度。

许多已发现的二维过渡金属碳化物作为电化学储能器件的电极材料尚待探索。更好地分析和理解二维过渡金属碳化物层之间的离子传输动力学可以促进高效电池和超级电容器的发展。

编辑：黄飞