▲第一作者：张泽坤
共同通讯作者：戴磊，王岭，何章兴
通讯单位：华北理工大学
论文DOI：10.1002/aenm.202402721（点击文末「阅读原文」，直达链接）
碳点具有多官能团结构、小尺寸效应和可调节的光电特性，在提升锌基电池的库仑效率、延长循环寿命和提高倍率功能方面具有巨大的潜力。本文综述了碳点（CDs）相关材料对电池元件的表面改性和形态调控。并系统概括了CDs相关材料在电池技术进步中的关键作用。最后，作者提出了CDs相关材料在锌基电池中的潜在应用，并为储能技术提供科学见解。随着电动汽车、可再生能源和便携式电子设备的快速发展，锌基电池在能源存储领域引起了越来越多的关注。锌基电池具有高能量密度和快速充放电能力，已成为电网储能系统的关键部件。然而，锌枝晶和副反应等问题严重阻碍了锌基电池的进一步发展。CDs具有丰富的官能团、可调结构和尺寸依赖的量子限域效应，这些特性使使CDs在储能装置的电极和电解质应用中处于有利地位。在电极材料中，CDs增强了电导率，增强了离子传输，并对微观结构和尺寸进行了控制。在隔膜材料领域，CDs作为改性剂，由于其较大的比表面积和丰富的官能团而延长了使用寿命。在电解液中，CDs减少了枝晶的形成，延长了循环寿命，提高了电池的安全性。因此，本论文总结了碳点在锌基电池中的最新研究进展，旨在推动碳点相关材料在储能领域的发展。在这篇综述中，首先以CDs相关材料可调性结构为切入点，在机理层面深入研究碳点结构、储能机理、电极电化学性能之间的多元关系。根据CDs相关材料性能和结构的多样性，总结了锌基电池中CDs的当前发展现状，并对这些策略的进行了综合评价。最后，针对目前CDs相关材料存在的挑战，展望了CDs应用于锌基电池中的前景。详述了锌基电池的复杂工作原理，并对CDs相关材料在锌基电池的反应过程进行了细致研究。深入描述了锌空电池、锌离子电池与CDs相关材料的构效关系。分类总结了CDs相关材料在阴极、阳极和电解质中的独特作用，强调了CDs相关材料提升锌基电池性能的关键作用。这篇综述指出了目前的挑战，并概述了CDs在锌基电池中应用的未来前景。希望本综述能为未来碳点在锌基电池中的应用提供有价值的见解，为未来储能和转换技术的发展提供科学指导。锌基电池类型包括锌空电池、锌离子电池、锌镍电池、碱性水电池，其中最为主要的类型为锌空电池与锌离子电池。一般情况下，锌空电池在放电过程中，锌负极被氧化，正极中的氧气被还原；而在锌离子电池中，储能机制主要基于锌离子的嵌入/脱出机制，放电过程中，锌负极失去电子，氧化为锌离子，锌离子随后嵌入正极。锌基电池面临着反应动力学慢、正极活性物质溶解、枝晶生长、副反应发生、循环寿命有限等诸多问题，这严重阻碍了锌基电池的民用化进程。CDs相关材料在各种电池中的广泛应用彰显了它们在锌基电池改性领域的巨大潜力。近年来，CDs相关材料在扩展锌基电池应用领域方面取得了显著的进展，取得了许多卓越的成果。将CDs相关材料用于锌基电池正极改性具有许多优点，包括杰出的ORR活性、卓越的离子传输、极佳的协同耦合效果和高能量密度。将CDs相关材料用于锌基电池电解质也具有多重优势，包括提供丰富活性成核位点、调节锌离子均匀分布、降低水的配位活性等。通过在锌基电池中加入CDs相关材料，不仅可以有效保护锌阳极锌枝晶的形成，而且有助于加速锌离子的传输，从而减小电极的体积变化。这一策略不仅提高了锌基电池的整体性能，还为其在实际应用中的可靠性和稳定性带来了显著的提升。
图 2 近年来 CDs 相关材料在电池储能领域发展历程CDs相关材料（主要包括原CDs材料、CDs相关复合材料以及CDs衍生物）具有丰富的活性位点、独特的多孔结构、热稳定性和流动性等独特优势，是近年来被研发并应用于电化学储能技术的主要创新材料类型。不仅如此，本文从维度的角度出发，进一步论证了不同类型的CDs相关材料被应用于锌基电池的天然优势。人们对CDs相关材料在锌基电池中的应用进行了深入的研究，这为今后CDs相关材料在储能领域的应用提供了宝贵经验。
图 3 不同维度的 CDs 相关材料的典型合成过程尽管CDs相关材料在锌基电池中展现了显著的优越性，然而它们仍然面临多方面的瓶颈。例如，锌电极在碱性溶液中不稳定，容易发生氢沉淀反应，自放电率高。CDs的制备过程错综复杂，在此过程中，小分子容易聚集成大分子。鉴此，针对当前聚合物相关材料研究的进展和面临的问题，提出以下综合性建议，以实现高性能CDs锌基电池的构建：整合开发功能性CDs：选择具有高导电性和稳定性的高熵化合物和多功能生物质材料用作生产CDs的前驱材料，解决锌枝晶的形成问题并提高 ORR 和 OER 的效率，以提高锌基电池的电化学性能。探索新型CDs复合材料：进一步探索如何将CDs与过渡金属氧化物和氮化物等其他高性能电极材料相结合，有效地扩大CDs的生产规模，优化现有CDs的合成工艺，提高产量，降低成本。研究独特的合成方法：探索温和的反应条件、低成本的集成合成路线以及3D打印等制造技术，使含CDs锌基电池的大规模应用成为现实。优化CDs与锌基电池的兼容性：确保CDs与其他电池组件的兼容，降低其对电池组成结构的负面影响，努力提高电池的整体性能。使用先进的表征工具：使用先进的表征设备和技术工具，详细研究电池中CDs的行为。这包括使用高分辨率显微镜、光谱技术和电化学原位表征技术来获取CDs在电极中的分布、形态、化学状态以及电化学反应过程等信息。深入研究反应机理：未来的研究方向应侧重于深入探讨CDs与锌基电池材料之间的相互作用机理，进一步提高锌基电池的性能指标，为后续CDs有针对性地提高电池性能提供理论指导。
图 4 CDs相关材料在锌基电池中应用的优势和挑战。
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