石墨烯和碳纳米管用于先进能源存储及为下一代超级电容器和邱健蓄电池供能

能源需求增长和化石燃料枯竭加剧了对成本效益高且环保的储能措施的紧迫需求，以确保充足的能源供应并减轻环境污染。这激发了人们对碳基纳米材料（CBN），尤其是石墨烯和碳纳米管（碳纳米管）的浓厚兴趣，因其卓越的特性，包括高表面积、快速离子扩散、卓越的电子导电性、可调谐的表面化学性质以及显著的转换能力。因此，本综述对2025年发表的石墨烯和碳纳米管在储能系统（ESS）中应用的最新进展进行了全面分析，特别是电池和储能电池。在21个电极材料系统中，有17个表现出优异的比电容值，范围从652 F/g到7613 F/g，优于传统材料如SrTiO₃（378 F/g）。这些系统同样报告了380 Wh/kg和5000 W/kg的高能量密度和功率密度，循环稳定性在78.5%至99.5%之间。电池中，据报道其比容量高达1974 mAh/g。这些优良特性凸显了这些CBN在ESS中的重要性;因此，利用其独特的固有特性和可调节的结构设计，具有满足全球日益增长的能源需求、开发兼具高性能与环保性下一代ESS的巨大潜力。

简介

根据IEA报告[1]，电力需求持续增长，主要由工业化、城市化和多部门电气化推动。报告进一步指出，2024年至2026年间全球电力需求预计每年平均增长3%，其中70%的能源需求预计由中国和印度使用。同样，非洲国家的城市化和人口增长预计每年平均能源消耗增长5.7%（本报告中各国家和地区的能源消耗总结见表1）[1]。另一份报告显示，2008年全球用电量估计为136,129太瓦时，2018年增至161,250太瓦时，过去十年整体用电量增长了2.9%[2]。此外，调查显示2015年和2018年能源消费量分别为149,634太瓦时和157,064太瓦时，预计2040年能源消耗将增长41%[2]。
能源需求增长的主要推动力是电动汽车的引入和接受，预计到2030年，几乎所有电动汽车将占新车销量的40%[1]。此外，钢铁、铝及其他化工厂的工业需求将占全球电力使用量的42%。此外，住宅供暖、建筑数据中心、云计算和物联网也成为重用电的领域。同样，全球人口的人均增长带来了增长，导致生活方式迅速转变，需要更多的能源[1]。
长期以来，世界过度依赖核能和化石燃料作为主要能源;然而，由于这些资源的有限性，它们一直在不断枯竭。它们具有不可再生性且对环境有害，因此助长了温室效应[2,3]。此外，研究表明它们作为致癌物质的来源，产生核废料和其他放射性物质，对环境构成威胁。此外，燃料价格上涨，加上工业危害、全球变暖以及二氧化碳排放和核能副产物（如危险的钚-钚-239）带来的生存风险，持续对人类社会产生不利影响[4]。
因此，这需要从传统且不可再生的能源转向能够整合技术、满足不断增长需求的现代清洁能源。风能、太阳能和潮汐等可再生能源随着时间推移理所当然地获得了支持，但它们面临着生产成本高昂、供应间歇性以及效率质疑等广泛挑战，导致能源生产与消费需求之间存在不公平[2]。然而，不可否认的是，这些能源以及化石燃料都可以转化为电能。例如，近30%的核能热能被利用并转化为电能[5]。
因此，利用高效储能系统（ESS）已成为追求可持续能源的关键，尤其是在整合可再生能源方面。IEA报告指出，到2026年，低排放的可再生能源和核能将占全球发电量的50%，因此需要可靠的储能系统来应对间歇性问题，并使供应与不断变化的需求保持一致[1]。此外，这将降低碳足迹，提升环境清洁性，并降低因市场剧烈波动而产生的成本[6]。
实现这些雄心勃勃的目标不仅需要大规模系统解决方案，还需要材料工程层面的创新，不仅提升效率、耐用性，还要提升可扩展性。储能领域的最新进展凸显了材料创新和旨在解决效率、可靠性和可持续性挑战的战略。例如，Bu等人[7]证明，通过使用1 T相VS₂@V₂O₃层状簇作为热电池中高导电性阴极，能够实现2.11伏高导电率，高压平台1.583 S cm。⁻¹密度提升至572.5 Wh/kg，因此优于传统FeS₂（0.021秒厘米）⁻¹以及1.84 V），标志着阴极设计的一个里程碑。在纳米尺度上，石墨烯基电极已被用于摩擦电纳米发电机中。它们解决了金属电极的耐用性和性能限制，推动了可穿戴和无线应用中灵活自供电电子产品的进步[8]。在更大范围内，重力ESS包括塔式重力储能、山地重力储能、先进铁路储能和竖井重力储能，提供了成本效益高且环保的可持续长期储能和可再生电网整合路径[9]。这些发展共同展示了ESS的巨大进步，从纳米级电极工程到网格级技术，凸显了ESS先进材料持续研究的重要性。
在多样化的储能技术中，电化学器件如电池[10]、单体化电池[11]和燃料电池[12]，这些电化学器件的应用日益增长，因此被证明是微型便携电子设备和电动汽车运输领域的有前景技术。可以合理地说，电池和SC目前是主要的储能设备[13,14]。这些系统通过化学方式储存能量，并通过氧化还原反应将其转化为电能。重要的是，它们可以充电并作为动力源，应用于从小型电子设备到大型机械，以及偏远地区[14]。
尽管取得了这些显著进步，但在提升性能、循环效率、安全性和降低成本方面仍面临挑战[15]。必须认识到，用于生产电极和电催化剂的材料的化学成分在储能和转换系统中都起着关键作用[[16]， [17]， [18]， [19]。电荷的储存和转换效率取决于导电性、电化学活性以及材料的结构稳定性等因素。一般来说，材料的电化学性质越好，系统的效率就越高[20]。因此，在材料科学研究、材料开发、设计和再工程中，材料的开发和再工程专门针对储能和转换而设计。
随着时间推移，许多材料被设计为储能系统（ESS）的电极。然而，能量密度有限、功率输出有限和耐用性不足等挑战依然普遍存在，因此必须加以解决[21]。2020年，全球纳米技术投资为1.397亿美元，预计到2030年将达到3.848亿美元，2021年至2030年间实现10.7%的复合年增长率[22]。值得注意的是，2020年电池ESS技术市场的全球市场价值估计为57亿美元，2021年增长至73亿美元。在此期间，预测显示年增长率为13.7%，这进一步凸显了提供可持续能源的必要性[22]。
碳基纳米材料（CBN），特别是石墨烯和碳纳米管，因其机械、电气、热和光学特性，以及高表面积、易于调节的表面、卓越的孔隙度、优异的化学和环稳定性，已被展示出在ESS中的潜在应用性[23]。这些材料既能在原子层面又能在电子层面进行操控，确保了实现适合储能和应用的定制特性[24,25]。研究表明，这些纳米材料制造出具有卓越速率能力、卓越比电容、长寿命和高能量密度的先进电池和SCs[26,27]。
值得注意的是，原始形态的CBN表现出低能量密度和功率密度，且比电容较低[28]。然而，其复合材料由金属氧化物、金属有机框架、金属硫化物和导电聚合物组合而成，结合表面积和性能，增强了这些参数[[29]， [30]， [31]， [32]]。因此，将CBN与这些伪电容元件集成，为开发高性能电极材料提供了有前景的策略。协同作用下，CBN的高电导率、化学稳定性和大表面积与伪电容材料的高电容特性相结合，提升了性能[33]。例如，提高比表面积有助于更大的电解质离子可及性，从而通过减少输运途径加速离子扩散[34]。
利用CBNs的ESS研究领域引起了极大关注，这从大量研究出版物中得到了证明。在SCOPUS上快速搜索2014年至2025年7月间的出版物，使用查询关键词“（石墨烯或”碳纳米管*“或CNT*）和（电池或电池或超级电容器*或”超级电容器*“）和（储能系统或”储能系统*“或电容器*）”，共获得了11,015篇用于VOSviewer分析的研究论文。图1（a）展示了VOSviewer地图，表明该研究高度互联，聚焦于碳纳米管和锂离子电池的应用。这些显著的集群突出了几个重点关注领域。可见碳纳米管形成了多个簇状结构，尽管石墨烯是搜索查询中的主要词，但由于VOSviewer的地图可视化基于所分析文献中词汇的频率和共现，而不仅仅是它们在搜索查询中的出现，这一点并未被明确显示。该领域的持续且显著增长体现在研究发表数量上，持续增长并于2023年达到峰值（见图1（b））。显然，这表明这是一个成熟且高度活跃的研究领域，明确聚焦于将CBN应用于各种ESS。
值得注意的是，有一些关于CBN的综述论文[6,23,35,36]。然而，利用纳米结构CBN的ESS领域仍在不断发展，因此需要持续的综述以确定新的里程碑和先进发展。因此，本综述系统地展示了利用石墨烯和碳纳米管材料在SC和锂离子电池方面的最新研究进展。本研究结构包括以下几个部分：（1）引言，全面概述当前能源面临的挑战及寻求充足储能的需求;（2）石墨烯和碳纳米管材料的详细介绍;（3）SCs和电池的历史;（4）最近发表论文中石墨烯和碳纳米管在SC和电池中的应用发展概述;（5）总结关键发现和前景的结论。