近日，中国海洋大学材料科学与工程学院王焕磊教授课题组在碳储能材料研究领域取得系列重要进展，研究成果相继发表于高水平国产学术期刊《Advanced Powder Materials》《Nano Research》《Green Energy & Environment》和国际顶尖综述期刊《Coordination Chemistry Reviews》。
碳材料因其丰富的资源、优异的电导率、稳定的化学性质和可设计的多孔结构，在二次电池与超级电容器等储能领域具有广泛应用潜力。近年来，随着钠离子电池、钾离子电池以及锌离子电容器等新型储能体系的快速发展，碳材料的结构调控和异质元素掺杂成为提升储能性能的关键策略。通过孔结构优化、表面官能团调控以及异质原子掺杂，研究者能够有效调节碳材料的电子结构、表面活性及离子扩散路径，从而显著提高其比容量、倍率性能与循环稳定性。
针对钠离子电池用硬碳负极材料，课题组提出了一种CO2刻蚀与高温碳化协同调控策略，成功制备出具有丰富闭孔结构的硬碳材料。该策略以富氮壳聚糖为前驱体，先经CO2刻蚀形成开孔，再通过二次热处理重组为闭孔结构。氮元素的引入不仅稳定了碳骨架，还提升了闭孔保留效率与平台区储钠能力。优化后的硬碳负极在0.05 A g-1电流密度下实现了388.8 mAh g-1的高可逆比容量，循环 800次后容量保持率仍达83.8%，全电池能量密度达165.2 Wh kg-1。相关研究以“Synergistic CO2 etching and carbonization induces closed-pore structures for plateau-dominant sodium storage”为题发表于《Nano Research》（IF：9.0），材料科学与工程学院2023级材料工程专业硕士生任万澄与2022级海洋材料科学与工程专业博士生杨磊为共同第一作者。
图1.硬碳制备流程图及储钠机理图
针对钾离子电池碳负极体积效应与反应动力学缓慢等问题，课题组利用静电纺丝技术制备了珍珠项链状Se掺杂空心碳纳米纤维。空心结构提高了电解液浸润与离子传输效率，Se掺杂则创造了丰富缺陷与活性位点，显著提升了钾离子扩散速率和储存能力。该负极材料在0.05 A g-1下实现470 mAh g-1的高比容量，在5 A g-1下循环6000次后仍保持167 mAh g-1。基于该材料组装的钾离子混合电容器能量密度达145 Wh kg-1，循环10000次后容量保持率为85%。相关研究以“Pearl-Necklace Structured Se-Doped Hollow Carbon Nanofibers for High-Capacity and Ultrastable Potassium Ion Storage”为题发表于《Green Energy & Environment》（IF：14.6），第一作者为材料科学与工程学院2023级材料科学与工程专业硕士生路亚力。
图2.材料制备示意图及储钾机理图
在锌离子混合电容器方向，课题组采用静电纺丝结合可控碳化策略，构建了具有分级多孔结构与ZnFeN6配位构型的碳纤维正极材料。Fe的引入调控了Zn活性中心的局部电子结构，增强了d轨道杂化及离子吸附能力。同时，该材料比表面积高达879 m2g-1，显著促进离子传输与电荷转移。电化学性能显示，该正极材料在0.1 A g-1下比容量达213 mAh g-1，10 A g-1时仍保持128 mAh g-1，循环20000次后容量保持率达88.6%。该研究验证了双金属原子工程在开发高能量密度、长寿命的水系储能器件中的积极贡献，相关论文以“Dual-Metallic Site Regulation Boosts Charge Storage in Zinc-Ion Hybrid Supercapacitors”为题发表于《Advanced Powder Materials》（IF：24.9），第一作者为材料科学与工程学院2022级海洋材料科学与工程专业博士生祝春柳。
图3.结构优化与电化学性能提升关联图
基于在锌离子电容器领域的持续研究积累，课题组系统总结了碳材料在正极、负极及电解质体系中的关键作用。总结了碳基材料在离子吸附、界面调控、结构工程等方面的机制，深入分析了碳材料在锌沉积行为调节、电极失效防控等环节的功能。该工作为碳纳米材料在水系储能体系中的应用提供了全面视角，并对未来工业化制备与器件实际应用进行了展望。相关综述论文以“Unlocking the Potential of Multifunctional Carbon Nanomaterials for Zinc-Ion Hybrid Capacitors: Mechanisms, Applications, and Challenges”为题发表于《Coordination Chemistry Reviews》（IF：23.5），第一作者是材料科学与工程学院2024级海洋材料科学与工程专业博士生张亚飞。
图4.碳纳米材料在锌离子电容器中的多功能应用示意图
上述研究系统揭示了碳材料结构调控与异质元素掺杂在多种储能体系中的作用机制，为发展高能量密度、长寿命、低成本的新型储能器件提供了重要理论依据与实验基础。研究工作得到了国家自然科学基金、山东省泰山学者青年专家、山东省自然科学基金重大基础研究项目等项目资助，中国海洋大学为以上论文的第一通讯单位。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25001009
https://www.sciopen.com/article/10.26599/NR.2025.94908108
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S246802572500264X
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854525009087
文/图：祝春柳、路亚力
