石墨烯与碳纳米管在先进能源存储中的应用及面向下一代超级电容器与电池的供电技术

日益增长的动力需求与化石燃料的枯竭，使得开发具有本钱效益且环境友好的储能处理方案变得尤为火急，以保证充足的动力供给并减轻环境污染。这一背景使得碳基纳米资料（CBNs）——尤其是石墨烯和碳纳米管（CNTs）——在提高电池与超级电容器（SCs）功能方面取得了广泛重视。这归因于其杰出的特性，包含高比外表积、快速离子扩散、优异的电子传导性、可调控的外表化学性质以及明显的转化才能。因而，本总述根据2025年宣布的研讨成果，对石墨烯和碳纳米管在储能体系（ESS）（特别是电池与超级电容器范畴）运用中的最新开展进行了全面剖析。在所总述的21种电极资料体系中，有17种表现出优异的比电容值（652 F/g至7613 F/g），明显优于传统资料如SrTiO₃（378 F/g）。这些体系一起具有380 Wh/kg的能量密度和5000 W/kg的功率密度，循环稳定性介于78.5%至99.5%之间。电池范畴则报道了1974 mAh/g的杰出比容量。这些优异特性凸显了碳基纳米资料在储能体系中的重要性，因而利用其共同本征特性和可调控结构规划，将为满足全球日益增长的动力需求及开发高功能、环境友好的下一代储能体系供给巨大潜力。

导言

根据国际动力署陈述[1]，电力需求继续增长主要由工业化、城市化和多部门电气化推进。该陈述进一步指出，2024至2026年间全球电力需求估量年均增长3%，其中70%的动力需求将来自我国和印度。%%非洲国家的城市化和人口增长估量将使动力消费年均增长5.7%（该陈述得出的各国及地区能耗汇总数据如表1所示）。电动汽车的引入与普及成为动力需求增长的要害驱动力，据预测到2030年，近40%的新车出售将由电动汽车占有[1]。与此一起，钢铁、铝材及其他化工加工工业的用电需求将占全球电力耗费的42%。此外，住宅供暖、数据中心建造、云核算及物联网范畴也已成为高耗电业态。)[1]. 另一份陈述显现，2008年全球电力耗费量估量为136,129太瓦时，至2018年已增至161,250太瓦时，过去十年间整体消费量增长了2.9% [2]。此外，该调查标明2015年与2018年的动力耗费量分别为149,634太瓦时和157,064太瓦时，估量到2040年动力耗费量将增长41% [2]。
全球人口增长同样推进人均能耗上升，生活方式的快速转型导致动力需求继续攀升[1]。长期以来，全球过度依赖核能与化石燃料作为主要动力来历；但是，由于这些资源的有限性，其储量正继续枯竭。这类动力具有不行再生性与环境危害性特征，进而加重温室效应[2,3]。研讨还标明，它们会开释致癌物质、发生核废料及其他放射性物质，对环境构成威胁。
此外，燃料价格上涨、工业危害加重、全球变暖现象以及CO₂排放与核能副产品（如危险同位素钚-Pu-239）带来的生存风险，继续对人类社会开展发生负面影响[4]。
因而，这要求从传统不行再生动力转向能够整合技能并满足日益增长需求的现代清洁动力。风能、太阳能和潮汐能等可再生动力已逐步取得合理重视，但它们仍面临发电本钱、固有间歇性供给以及功率存疑等普遍应战，导致动力出产与消费需求之间存在失衡[2]。但是不行否认的是，这些动力与化石燃料均可转化为电能。例如，核能发生的热能中近30%被捕获并转化为电能[5]。
因而，选用高效储能体系（ESS）已成为完成可继续动力开展的要害行动，特别是在整合可再生动力方面。国际动力署（IEA）陈述指出，到2026年，可再生动力与核能等低碳排放源将占全球发电量的50%，这需求经过可靠的存储体系来处理间歇性问题，并使电力供给与继续动摇的需求相匹配[1]。此外，此举还将削减碳足迹、提高环境清洁度，并因大幅商场动摇而降低本钱[6]。
完成这些宏伟目标不仅需求大规模体系处理方案，更需在资料工程层面进行立异，以一起提高功率、耐久性及可扩展性。储能范畴的最新开展突出展现了针对功率、可靠性与可继续性应战的资料立异战略。例如，Bu等人[7]经过选用1T相VS₂@V₂O₃层状簇作为热电池高导电阴极，完成了2.11V的高导电性与1.583S cm⁻¹的升高电压平台。−1并完成了572.5 Wh/kg的更高能量密度，其功能优于传统FeS₂（0.021 S cm⁻¹）。−1在阴极规划范畴取得里程碑式突破（1.84 V）。纳米尺度上，根据石墨烯的电极已成功运用于摩擦纳米发电机，有用处理了金属电极的耐久性与功能限制，推进了可穿戴设备及无线运用范畴中柔性自供电电子器材的开展[8]。在更大规模上，重力储能体系（涵盖塔式重力储能、山地重力储能、先进轨道储能及竖井重力储能）为长时间储能与可再生动力电网并网供给了经济环保的可继续处理方案[9]。这些开展共同展现了储能技能从纳米级电极工程到电网级运用的巨大进步，凸显了继续研讨先进储能资料的必要性。
在众多储能技能中，电化学器材（如电池[10]、超级电容器[11]和燃料电池[12]）的运用范围继续扩展，已被证实是微型便携式电子设备和电动汽车运送范畴极具远景的技能。可以合理以为，电池与超级电容器是当时最主要的储能设备[13,14]。这类体系经过化学方式存储能量，并凭借氧化复原反响将其转化为电能。尤为重要的是，这些器材可重复充电并作为电源运用，其运用场景涵盖从微型电子设备到大型机械设备，乃至包含偏远地区供电[14]。
尽管取得了这些明显开展，但在提高功能、循环功率、安全性和降低本钱方面仍存在应战[15]。必须认识到，用于出产电极和电催化剂的资料化学成分在能量存储与转化体系中起着要害作用[[16], [17], [18], [19]]。电荷存储和转化功率取决于导电性、电化学活性以及资料结构稳定性等因素。一般而言，资料的电化学功能越好，体系运转功率越高[20]。因而，在资料科学研讨中，资料开发、规划与重构都需专门针对能量存储与转化进行定制。
长期以来，众多资料被规划用作储能体系（ESS）的电极。但是，诸如有限能量密度、功率输出不足以及耐久性欠佳等应战仍普遍存在，因而必须予以处理[21]。2020年全球纳米技能投资额为1.397亿美元，估量到2030年将到达3.848亿美元，2021至2030年间复合年增长率达10.7%[22]。值得注意的是，2020年全球电池储能技能商场规模估量为57亿美元，2021年增至73亿美元。在此期间，预测显现年增长率将到达13.7%，这进一步凸显了供给可继续动力的必要性[22]。
碳基纳米资料（CBNs），尤其是石墨烯和碳纳米管（CNTs），因其机械、电学、热学和光学特性，以及高比外表积、易调控外表、优异孔隙率、杰出化学稳定性和循环稳定性[23]，在储能体系（ESS）中展现出潜在运用远景。这些资料可在原子和电子层面进行调控的特性，为完成理想能量存储与运用所需的定制化功能供给了保证[24,25]。研讨标明，选用此类纳米资料制备的先进电池与超级电容器（SCs），具有优异的倍率功能、明显比电容值、长循环寿命及高能量密度等特性[26,27]。
值得注意的是，原始形状的碳基纳米资料（CBNs）一起表现出较低的能量密度与功率密度，并伴有较低的比电容[28]。但是，经过与金属氧化物、金属有机结构、金属硫化物及导电聚合物的Fusion形成的复合资料，能有用改进上述参数，一起提高其比外表积与电化学功能[[29], [30], [31], [32]]。因而，将CBNs与这些赝电容组分进行整合，为开发高功能电极资料供给了一种远景广阔的Strategy。协同作用下，CBNs的高导电性、化学稳定性和大比外表积特性与赝电容物质的高电容特性相结合，可明显提高电极功能[33]。例如，比外表积的添加有助于电解液离子更充分地触摸活性位点，然后经过缩短传输路径来加速离子扩散过程[34]。
选用碳基纳米资料（CBNs）的动力存储体系（ESS）研讨范畴已引发广泛重视，这一点从大量研讨文献中得到印证。经过在SCOPUS数据库中以检索式"(graphene OR "carbon nanotube*" OR CNT*) AND (battery OR batteries OR supercapacitor* OR "super capacitor*") AND (energy storage OR "energy storage system*" OR capacitor*)"对2014年至2025年7月期间的文献进行快速检索，共取得11,015篇研讨论文用于VOSviewer剖析。图1(a)展现的VOSviewer图谱显现，该研讨范畴出现高度关联性，且研讨热点会集在碳纳米管（CNTs）与锂离子电池的运用。明显聚类群揭示了若干重点研讨方向。可见碳纳米管形成了多个聚类群，而尽管石墨烯是检索要害词中的主要术语，但由于VOSviewer图谱可视化根据剖析文献中术语的出现频率与共现关系（而非单纯检索词存在），石墨烯并未在图中显性出现。该范畴继续明显的开展态势可从研讨文献数量得到佐证，其数量稳定增长并于2023年到达峰值（图1）。(b)）。明显，这标明该研讨范畴已开展至成人阶段且高度活跃，其明确聚集于将碳基纳米资料运用于各类储能体系。