炭气凝胶是一种具有连续的三维网络结构的多孔块体纳米炭材料与传统的无机气凝胶(如硅气凝胶)相比，其具有微观结构纳米尺度可调，比表面积大、密度变化范围广、导电性好、离子传输速度快、电化学性能卓越及物理化学性能稳定等特点。由于这些优异的性能，炭气凝胶在过去的数十年中得到了广泛研究和迅速发展。

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近日，中国矿业大学鞠治成副教授和太原理工大学郭春丽副教授合作在《新型炭材料》发表了最新综述“炭气凝胶的制备及在碱金属离子电池中的应用”。本综述系统回顾了近年来多种新型三维炭气凝胶体系的研究进展：首先对不同前驱体的炭气凝胶的常用合成方法及机理进行了详细的介绍，包括模板法及无模板法石墨烯基3D气凝胶的制备，高分子聚合物基炭气凝胶的制备以及生物质前驱体制备炭气凝胶的常用制备策略。然后具体阐述了炭气凝胶的功能化方法，包括微纳尺度上的结构设计剪裁，杂原子掺杂以及复合材料炭气凝胶。

图1. 一步水热法制备石墨烯气凝胶示意图

图2. 以聚氨酯海绵为牺牲模板制备具有突出机械性能的O/N共掺杂炭气凝胶

随后，论文详细对炭气凝胶及复合气凝胶在碱金属（锂、钠、钾）离子电池领域近年来的研究进展进行了全面的综述。由于大比表面积、层级纳米孔道结构、高化学稳定性、低电阻率和宽密度范围等物理化学特征，炭气凝胶可以作为碱金属离子存储的理想材料。特别是在新型的钠、钾离子电池中，气凝胶可以提供导电性的骨架，并提供足够的空间缓解离子嵌/脱过程中带来的活性物质体积膨胀；层级孔道结构有利于电解液的浸润和碱金属离子的扩散；此外，炭气凝胶结构中的缺陷和空穴可以为碱金属离子的赝电容存储提供大量的活性位点。因此，炭气凝胶及其复合材料在碱金属离子电池中值得更多的深入研究和探讨。

图3. 水热法制备二硫化钼/石墨烯气凝胶复合材料并应用于钾离子电池负极

文末总结了炭气凝胶应用于碱金属离子电池中的优势、面临的挑战以及未来的发展方向。影响炭气凝胶大规模应用的主要问题包括制备工艺复杂，成本较高，生产周期长、产量不高。但是炭气凝胶在电化学存储领域中发展潜力巨大，在解决面临的问题后，可以成为新一代碱金属离子电池的高效负极材料的选择。

文章信息  New Carbon Materials

A review on recent advances in carbon aerogels: their preparation and use in alkali-metal ion batteries by GAO Xin-ran, XING Zheng, LI Zi-jian, DONG Xiao-yu, JU Zhi-cheng, GUO Chun-li. New Carbon Materials, 2020, 35(5): 486-507.

原文链接：http://manu60.magtech.com.cn/xxtcl/CN/abstract/abstract9620.shtml

期刊网站：http://xxtcl.sxicc.ac.cn

通讯作者简介

鞠治成，山东大学博士，中国科学技术大学博士后，现为中国矿业大学材料与物理学院副教授，当前主要研究领域为炭基材料制备及其电化学储能。主持国家及江苏省自然科学基金面上项目、中国科学院炭材料重点实验室开放基金及企业委托研发项目等。指导研究生获得国家奖学金、优秀创新硕士奖学金、江苏省优秀硕士毕业论文等。在Advanced Materials；Advanced Energy Materials；Energy Storage Materials等国际重要杂志上合作发表SCI论文80余篇，总计被引超过4000次；多篇论文入选ESI高被引论文，一篇论文入选ESI热点论文，并获得国家授权发明专利十余项；受邀为Nanostructured Materials for Next-Generation Energy Storage and Conversion专著撰写一章。