一、研究背景

在全球能源结构加速脱碳的背景下，电化学储能电池在可再生能源接入、电动汽车和智能电网等领域发挥着关键作用。然而，不论是成熟的锂离子电池还是新兴的金属锂、钠、锌及固态电池，都面临复杂的界面问题，包括金属枝晶生长、电极体积膨胀、界面副反应和高阻抗等。这严重影响储能电池的循环寿命与安全性。碳点（CDs），一种新型的碳基纳米材料，尺寸小于10 nm。由于其超小尺寸、可调的表面官能团、优异的分散性和组装性以及环境兼容性，这种材料迅速成为功能材料研究的前沿。与传统碳质材料如石墨烯和碳纳米管相比，CDs在界面工程特性方面展现出明显的优势。首先，它们表面富含的可选择性附着官能团（羟基和羧基）使得化学吸附能量能够被精确调控。其次，CDs的量子限制效应可以加速电子/离子的传输效率。第三，它们的亚纳米尺寸和结构赋予了与电极孔隙渗透和电解质晶界润湿的多尺度兼容性。

近年来，CDs在光催化和生物成像领域取得了重要进展，同时作为储能电池界面功能材料的潜力正逐渐被探索。研究表明，由于超小尺寸、易于分散、可调的表面官能团和显著的表面效应，CDs已广泛应用于各种储能系统。这些性质使CDs能够有效抑制枝晶生长，调节电极材料结构，提高初始库仑效率，并改善离子传输动力学。这一综合的功能属性促进了CDs在优化电极材料结构、调节界面特性以及作为电解质添加剂方面发挥着关键作用。这种多功能性能确立了CDs作为下一代界面工程需求的先进材料解决方案。

二、工作简介

碳点（CDs）作为一种具有代表性的功能化碳基纳米材料，在先进电池领域因其超小尺寸、可调表面官能团、优异的分散性和组装性而受到认可。本文系统回顾了基于碳点的先进电池材料的最新进展。首先，简要介绍了碳点的制备方法，重点关注大规模合成的可行性。其次，分析了碳点的4个关键应用，包括其在电解质溶液、金属电极涂层、电极材料和固态电池中的应用。进一步阐述了碳点的作用机制，如抑制枝晶生长、减缓体积膨胀、加速电荷传输和优化离子迁移效率。最后，讨论了现有的挑战，包括可扩展的合成技术、动态界面演化分析和多功能集成策略。

1. 构建稳定SEI膜：表面可调的极性基团诱导无机富集、机械强度更高的 SEI，缓解体积应变与枝晶穿刺，并加速离子传输。

2. 精准调控溶剂化/去溶剂化：调降去溶剂化能垒、增强阴离子参与、均匀离子通量，从而优化界面动力学与SEI/CEI形成。

3.电场屏蔽作用：表面带电碳点可均化界面电场，抑制枝晶生长。

4.沉积调控：碳点表面官能团与金属离子配位，降低成核势垒，诱导其均匀成核。

Fig. 1  (a) Schematic representation of the effect of CDs stabilizing zinc metal electrodes. (b)Coulombic efficiency test of Zn||Cu cells under different cycles and corresponding voltage distribution. (c) Rate capability at different current densities. (d) Long-time cycling performance. (e) Schematic deposition of zinc on bare zinc anodes and Zn@F-CDs anodes. (f) In-situ optical microscope images. (g) Schematic diagram of the effect of the presence of CD on zinc foil on the zinc deposition process. (h) Cyclic performance of Zn@CDs and bare Zn.

由于碳点表面含有丰富的官能团，碳点可通过原位反应或物理吸附在金属负极表面形成保护层，提升力学稳定性与电化学稳定性，减少腐蚀与枝晶生长问题。

作为电极材料而言，碳点能发挥结构单元与多维构筑的作用。具体而言从0D到2D纳米片、3D多孔结构的构建，有利于电解液渗透与缓冲体积变化，提升容量与循环稳定。其次，碳点还能发挥硬碳精确调控，诱导闭孔结构并在高温中原位交联，扩展石墨层间距、加速Na⁺传输，显著提升平台容量。此外，碳点还能作为钠电聚阴离子正极材料的碳涂层，降低界面能垒、构建高效导电网络并与主体发生强相互作用，实现超高倍率与超长寿命。

在固态电解质中，碳点因丰富表面基团与电极/电解质化学键结合，显著降低界面阻抗、促进致密接触与均匀离子通量，抑制裂纹与枝晶。

Fig. 2   (a) Schematic illustrations of Li-FCD|LLZTO and Li|LLZTO. Reproduced with permission. (b) Schematic diagram of the mechanism of action of samples. (c) Electrochemical performance of Li/2D-LALZO@PEO/Li and Li/P LALZO@PEO/Li symmetric cells. (d) Rate and cycle performance of P-LALZO@PEO and 2D-LALZO@PEO. Schematic illustration of (e) Li-NCD|LLZTO interface and (f) Li|LLZTO interface. (g) Cycling performance at 1 C of the LFP|LLZTO|Li-NCD full cells.

1.碳点规模化制备技术与产业化成本控制问题。

2.对界面作用机理缺乏深入理解。

3.多功能一体化碳点的设计策略。

New Carbon Materials 文章信息

Carbon dots for use in advanced battery systems

Zhi ZHENG, Dong-yang CAI, Hua-xin LIU, Han-rui DING, Ying-hao ZHANG, Jia-bei XIAO, Wen-tao DENG, Guo-qiang ZOU, Hong-shuai HOU, Xiao-bo JI.New Carbon Materials, 新型炭材料（中英文） 40卷, 4期: 931 - 961 (2025)

doi: 10.1016/S1872-5805(25)61014-6

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