一、研究背景

碳质材料因其前驱体来源丰富、合成方法多样、成本低且环境友好等优势，已成为电化学能量存储与转换装置中的关键组成部分，广泛应用于锂/钠离子电池、超级电容器、锂硫电池和燃料电池等多种储能系统。例如，多孔炭是超级电容器的核心电极材料，石墨是锂离子电池常用的负极材料，炭黑则常用于燃料电池的催化剂载体。尽管碳质材料在能源领域展现出较大潜力，传统碳质材料仍存在结构和功能调控性有限的问题，主要表现为电容活性低、高倍率性能差和循环稳定性不足。随着对高能量密度、高功率和长循环寿命需求的日益增长，这些局限性愈发突出。

为应对上述挑战，研究者提出了一类新型碳质材料——超结构碳（SSCs）。SSCs被定义为具有精确可控构建单元的分级有序碳质材料。其构建单元可精确调控，能够实现长程有序的结构排列和定向组装功能调控。SSCs具备可定制的孔结构、高比表面积、优异导电性和稳定的化学性能。这些特性使其在多种能源器件中表现出较大应用潜力。

                        图1. SSCs的定制结构及应用

Fig.1. The customized structure of SSCs and oriented applications

二、工作简介

本文综述了超结构碳的最新研究进展，并探讨其设计策略，即精确的孔隙结构、密集的碳网络和高度耦合的界面。

首先，孔隙结构是碳质材料在能量存储中的关键特性，为离子扩散和物质传输提供了重要通道。然而，传统多孔炭常因结构复杂、孔隙利用率低，限制了储能系统的整体性能。为应对这些挑战，超结构碳（SSCs）被设计成具备高孔隙率和高度可定制的孔结构。通过精确调控孔隙的尺寸、分布和形态，SSCs能够适应不同应用场景的需求，从而实现高效物质传输、提高比表面积利用率，并为电化学反应提供丰富活性位点。

Fig.2. (a) Atomic structure models and scanning electron microscope (SEM) images. (b) Direct current voltage-current curves of three membranes made by mixing each carbon with 5 wt% polytetrafluoroethylene. (c) Diagram illustrating the pore mouth size-dependent solvation structure and defects-dependent sodium storage properties. (d) HRTEM images of CMS-1300. (e) Potential profiles of the first cycle, at specific current of 0.05 A g^-1 and 25 °C. (f) Schematic of the synthetic procedure of SSC materials and the comparisons between the customized-micropore. (g) SEM images, spherical aberration-corrected HAADF-STEM, and corresponding energy dispersive spectrometer mapping of SSC samples. (h) The corresponding charge-discharge profiles of SSC-based cells from the 3rd to 100th cycles.

图 2.（a）原子结构模型和扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）通过将每种碳与 5%质量分数的聚四氟乙烯混合制成的3种膜的直流电压-电流曲线。（c）展示孔口尺寸对溶剂化结构的影响以及缺陷对钠存储性能的影响的示意图。（d）CMS-1300 的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。（e）第一循环的电位曲线，电流特定值为 0.05 A g^-1，温度为25°C。（f）合成 SSC 材料的流程图以及定制微孔的比较。（g）SSC样品的扫描电子显微镜图像、球差校正的高角暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）以及相应的能谱仪成像。（h）基于SSC的电池相应充放电曲线。

可自由调节的碳网络是实现高碳利用率和体积容量的重要结构。通过常规方法合成的碳质材料常存在内部网络缺陷，导致电子传输路径不连续。为了克服这一限制，必须开发出具有快速电子和离子传输能力的密集且连续的三维碳网络，该网络在不同尺度（纳米级（碳单元）、微米级（材料）和宏观级（电极））上都能实现这一功能。此外，通过精心设计的层间空隙引入非碳成分，可以为循环过程中的体积变化提供缓冲空间，从而确保高导电性、良好的离子存储容量以及形成用于电极材料的密集能量存储框架。

Fig.3. (a) Schematic diagram of Si crushing at low pressure and self-pressure structure. (b) Optical photographs before and after capillary shrinkage of SP-MSi/C. (c) Force-displacement curves of SP-C with different CNT contents, and the inset is the SEM image of the nanoindentation probe acting on SP-C. (d) The FIB-SEM image of SP-MSi/C half cells after cycles at 10 MPa. (e) Results of finite element simulations for lithium concentration and stress distribution. (f) Long-cycle performance of SP-MSi/C and MSi/C sulfide solid-state half-cells at 10 MPa. (g) The polarization voltage of SP-MSi/C and MSi/C with different cycles at 10 MPa

图 3.（a）在低压和自压结构下硅破碎的示意图。（b）SP-MSi/C 在毛细管收缩前后的光学照片。（c）不同碳纳米管含量的SP-C的力-位移曲线，图中插图为作用于SP-C的纳米压痕探头的扫描电子显微镜图像。（d）在10 MPa压力下循环后的SP-MSi/C半电池的FIB-SEM图像。（e）锂浓度和应力分布的有限元模拟结果。（f）在10 MPa压力下SP-MSi/C和MSi/C硫化固态半电池的长循环性能。（g）在10 MPa压力下不同循环次数的SP-MSi/C和MSi/C的极化电压。

随后，探讨了高度耦合界面的设计方法。掺杂和复合策略能够形成碳/碳以及碳/非碳的界面。不同成分之间的界面相互作用会促进电子转移。异质界面的形成显著提高了材料的催化活性和容量，这对于优化储能设备的性能至关重要。

Fig.4. (a-b) Aligned carbon nanotubes formed in the template channels. (c-d) Dimensionally controlled synthesis of BODIPY-based CMPs and the corresponding B/N co-doped porous carbons. (e) Schematic illustration of the high-temperature sulfur-anchoring synthetic approach. (f) Cathodic mass activity of the membrane electrode assemblies (MEAs) made with the cathode catalysts of Pt/C and i-NP catalysts. The anode catalyst is Pt/C.

图 4.（a-b）在模板通道中形成的排列有序的碳纳米管。（c-d）通过尺寸控制合成的基于 BODIPY 的共价有机框架材料（CMP）以及相应的硼/氮共掺杂多孔碳。（e）高温硫锚定合成方法的示意图。（f）用Pt/C和i-NP催化剂制成的膜电极组件（MEA）的阴极质量活性。

本文综述了SSCs在能量存储转换装置中的3个关键策略。具体而言，精确定制的孔隙结构能够实现高能量存储容量和快速离子传输；连续且密集的三维碳网络能够实现跨多个尺度的快速电子传输和离子传输；高度耦合的界面能够促进不同组件之间的快速电子传输，充分利用高活性或高容量组件。因此，SSCs在克服碳结构设计的局限性以及推动性能显著提升方面发挥着重要作用。

最后文章阐述了SSCs在高性能储能与能量转换器件中实现实际应用面临的问题和挑战。

文章信息

Superstructured carbon materials: progress and challenges in energy storage and conversion technologies, New Carbon Materials, 40 (4) 962-972 (2025)

doi: 10.1016/S1872-5805(25)61011-0

原文链接：

https://www.sciengine.com/NCM/doi/10.1016/S1872-5805(25)61011-0

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