有很多關于放棄碳作為能源的研究，但如果相反，正在使用的碳被充分利用呢?

碳作為能源的重要性不容低估。不幸的是，對這些碳基材料的依賴已被證明對環境造成災難性的影響，特別是在全球范圍內消耗它們的數量。因此，必須研究替代手段。上部結構碳(SCC)是一種以更高效和“綠色”的方式使用碳的可能方法，可以超越能量存儲和轉換裝置中標準材料的當前性能和壽命。

研究人員于 1 月 30 日在《能源材料與設備》雜志上發表了研究結果。

SCC 的結構和性能以及整體概念都是多方面的。首先，它們確實是碳。雖然這看起來不像是減少總體碳依賴的一步，但它是一種使碳更有意地使用、具有更直接功能的方法，從而帶來更好的性能和功能。

該研究的研究員兼作者 Debin Kong 表示：“這一獨特的類別滿足了高性能設備的特定功能需求，并超越了傳統碳的剛性結構。”

SSC 是碳基材料，專門針對與其連接的材料而構建，無論是鋰離子 (Li) 電池、硫化鋰 (LiS) 電池還是金屬空氣電池。

研究人員提出，這些SCC的成功開發和實施具有三個主要特征：精確定制的孔隙、自由調整的框架和高度耦合的界面。

與傳統碳材料相比，精確定制的孔隙具有提高表面利用率和傳質的優點。使用多孔碳作為儲能設備(如電池)中活性材料的一部分可以改善材料的比容量等指標。比容量是每克材料重量可以傳遞到材料的電荷量。自由調整的框架對于允許材料內部結構(包括碳單元和電極)之間的快速電子轉移至關重要。最后，高度耦合的界面可以進一步改善電子傳輸，這是改善電池整體功能和性能的重要因素。協同工作良好的界面使電化學反應更容易發生，并且不會出現聚集或納米粒子簇形成等問題。

Kong說：“總的來說，SSC的概念提供了一種解決當前碳所面臨問題的方法，這對于未來先進碳及其相關高性能能源相關設備的實際應用非常重要。”

研究人員的目的不僅僅是通過這次審查來改進碳基活性材料，而是希望創造碳結構的新高度。性能突破是最終目標，旨在打破能量轉換和存儲的性能瓶頸。然而，隨著進一步的研究，總會有一些困難需要考慮，也總會有一些問題需要解決。

最重要的是要考慮的是不同的設備有不同的需求。Li、LiS和金屬-空氣電池可能都與SCC有不同的關系，需要充分充實以確保適用性和兼容性。此外，在 SCC 成為實用且廣泛的解決方案之前，需要對其成本和性能進行檢查。這可以包括改進制備工藝和降低成本和簡化生產所需的前體。需要進一步研究的另一點是對碳微觀結構及其結構演變的整體理解，具體取決于所使用的碳前體。

清華大學深圳吉姆石墨烯中心和功能化碳材料工程實驗室的Debin Kong、Wei Lv、Yanbing He和Feiyu Kang，以及中國石油大學新能源學院的Debin Kong、Ruliang Liu、Dingcai Wu，中山大學材料科學研究所的付若文、中國科學院沉陽材料科學國家實驗室的李峰以及天津化工學院納米陽課題組的楊全宏大學都為這項研究做出了貢獻。

國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金委、山東省泰山學者項目使此項研究成為可能