综述：电化学技术中的粘土矿物：在储能和电催化应用方面的最新进展

《Applied Clay Science》：Clay minerals in electrochemical technologies: Recent advances in energy storage and electrocatalysis applications

黏土矿物凭借独特纳米结构、可持续性和低成本特性，在电化学储能（如锂离子电池、超级电容器）和电催化（析氢/析氧、氧还原反应）领域展现显著优势。其结构-性能关系表明：纤维链层状结构促进导电网络形成并抑制聚集，层状结构优化离子传输。在储能中解决电极膨胀、锂枝晶及多硫化物 shuttle 问题，提升循环稳定性和倍率性能；在催化中通过高比表面积、表面官能团及离子通道增强活性位点分散和电子转移效率。研究为结构设计驱动的性能优化提供新思路。

　　

Jiaxing Han | Meng Liu | Tianming Liu | Libing Liao | Ritong Huang | Wenfeng Li | Guocheng Lv

教育部地质碳储存与资源低碳利用工程研究中心，北京非金属矿物与固体废弃物材料利用重点实验室，国家矿物材料实验室，河北资源低碳利用与新材料重点实验室，中国地质大学（北京）材料科学与技术学院，100083，中国

摘要

由于独特的纳米结构、可持续性和低成本，黏土矿物已成为电化学能源技术的有前景的材料。本文综述了其在电化学储能（如电池和超级电容器）和电催化（如氢/氧演化反应和氧还原反应）领域的最新应用进展。文章强调了结构与性能之间的关系：纤维状层状黏土能有效形成导电网络并抑制团聚，而层状黏土则通过可调的层间间距促进离子快速传输。在储能方面，这些结构特性有助于解决电极体积膨胀、锂枝晶生长和多硫化物穿梭等问题，从而提高设备的循环稳定性和倍率性能；在电催化方面，黏土的高表面积、丰富的表面官能团和有利的离子传输路径有助于改善活性位点的分布和电子转移效率。本文讨论了各种黏土矿物结构在这些领域中的作用，并提出了通过定制结构设计优化未来性能的展望。

引言

随着全球能源结构的转型和“双碳”战略的实施（Pe?a等人，2022；Zhang等人，2022a；Bartholdsen等人，2019），高效且低成本的电化学储能系统和清洁催化技术的发展已成为材料科学的前沿课题（Dai等人，2021；Lu等人，2022；He等人，2022）。早在20世纪70年代，研究人员就发现蒙脱石具有优异的离子传输性能，这为黏土矿物在电化学领域的应用提供了理论基础（McBride，1977）。近年来，大量研究表明，黏土矿物因其独特的结构特性（包括多孔结构、较大的比表面积、可调的层状或纤维状形态以及稳定的机械性能）而受到广泛关注（Chaddhaab等人，2022；Chaturvedi和Patit，2022）。这些特性使黏土矿物能够作为多功能的功能材料应用于电化学领域。

黏土矿物的具体优势主要体现在两个方面：其多孔网络和较大的表面积有助于离子传输并提供活性位点，使其适用于电池和储能材料，这些材料基于电能与化学能之间的转换来高效储存和释放能量；同时，黏土矿物的层状结构和纳米限制效应增强了活性位点的分散性和电子转移效率，使其在电催化应用中表现出色。这些特性对于降低反应活化能垒和提高清洁能源转换技术的实用性至关重要。黏土矿物的结构设计及其在电化学领域的应用继续为储能和电催化领域的发展提供了有希望的途径。以下部分将详细阐述黏土矿物的结构及其在电化学领域的当前应用情况（图1）。

黏土矿物的结构特性

黏土矿物主要由层状硅酸盐组成，化学成分主要包括SiO₂、Al₂O₃（Lan等人，2025），以及少量的杂质如Mg、Fe、Na、K和Ca（Yang等人，2023a），不同类型矿物的成分有所差异。其结构（Abu-Dansoa等人，2020）由两个基本单元构成：Si-O四面体和Al-O八面体（Huang等人，2024；Zhang等人，2020），其中Si-O四面体的中心是Si⁴⁺（Kohno，2020）。

电化学储能

黏土矿物在电化学储能领域的应用主要集中在电池和超级电容器中。在电池中，黏土矿物通常用作正极、负极和电解质的组分；在超级电容器中，黏土矿物则用作电极或电解质材料以提升电化学性能。黏土矿物在电池中的应用可分为锂离子电池和其他金属离子电池。

电催化

以黏土矿物作为基底或涂层的电极材料可以通过增加电化学装置中的离子通道和反应接触面积来提高电催化剂的性能。

总结

黏土矿物凭借其独特的层状结构、纳米级结构、低成本和环保特性，在电化学储能和电催化领域展现了显著的优势。这些特性有效解决了电极膨胀和锂枝晶生长等问题，并已广泛应用于锂离子电池（LIBs）、锌离子电池（SIBs）、铝离子电池（AIBs）和超级电容器（supercapacitors）。在电催化领域，黏土矿物的高比表面积...

CRediT作者贡献声明

Jiaxing Han：撰写——初稿、可视化、研究。 Meng Liu：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究、资金申请。 Tianming Liu：撰写——审稿与编辑、软件开发。 Libing Liao：可视化、监督、研究。 Ritong Huang：撰写——审稿与编辑。 Wenfeng Li：撰写——审稿与编辑。 Guocheng Lv：撰写——审稿与编辑、研究、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42572042、42402044、52272094）和北京高精尖创新计划青年精英科学家资助计划的支持。