综述：纳米金刚石在储能领域：新兴作用、机制及下一代电池与超级电容器的前景

《Journal of Energy Storage》：Nanodiamonds in energy storage: Emerging roles, mechanisms, and prospects for next-generation batteries and supercapacitors

　　

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  纳米金刚石在电池中作为结构调控剂和界面调控剂发挥作用。
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  合成路线决定纳米金刚石的结晶性、缺陷和性能。
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  纳米金刚石抑制枝晶、多硫化物，并稳定电极界面。
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  实用化电池需要可扩展的加工工艺和针对纳米金刚石的专用评估指标。

引言

全球对全球变暖和环境污染的担忧不断加剧，其主要原因是化石燃料的过度消耗，这大大加速了对更清洁、更可持续能源方案的探索[1]。在此背景下，替代能源系统和高效储能技术在应对气候挑战、支持国家经济增长和环境保护方面发挥着关键作用[2]、[3]。电池和超级电容器等电化学储能装置因其有效储存和释放能量的能力而引起了大量研究关注。然而，电动汽车和便携式电子设备日益增长的需求对开发具有更高能量密度、更好安全性和更长循环寿命的电化学装置带来了更大压力[4]。这些装置的性能和成本效益在很大程度上取决于所用材料的特性[5]、[6]、[7]。因此，新材料的设计与探索已成为推进下一代储能技术研究的焦点。在这些材料中，纳米金刚石（NDs）因其独特的机械强度、表面化学、化学稳定性和可调电子特性而成为有前景的结构和界面改性剂[8]、[9]。

纳米金刚石是由sp³键合的类金刚石核心、无序或部分石墨化的碳壳层以及含有环氧基、羟基、羧基等功能基团的外部功能化表面层组成的碳纳米颗粒，赋予其卓越的机械、热、光学和生物相容性特性[10]、[11]。其形貌不应被视为均匀球形，因为颗粒形状、结晶性和表面结构强烈依赖于合成路线、颗粒尺寸、纯化工艺和后合成处理。晶态核心通常只有几纳米大小，可能占碳原子总数的约70-90%。周围的过渡区域通常厚约0.4-1.0 nm，根据纳米金刚石的来源和处理历史，可能含有无序、部分石墨化和局部富勒烯状碳结构[12]。这些结构特征强烈影响纳米金刚石的表面化学和功能化。其外部表面通常含有含氧基团，这些基团控制胶体稳定性、界面相互作用、润湿性和后续功能化。

纳米金刚石最早于1963年通过在缺氧条件下引爆含碳炸药制备，但其更广泛的科学重要性直到1980年代才被认识到[13]。自首次通过缺氧环境中的爆炸法合成纳米金刚石以来，已开发了多种替代技术。这些合成方法包括化学气相沉积（CVD）[14]、高温高压（HPHT）、激光烧蚀[15]、碳结构的离子和电子辐照[16]以及超声空化等。这些方法产生的纳米金刚石在颗粒尺寸、缺陷密度、表面终止、sp²/sp³碳比、杂质含量和电学性质方面各不相同。因此，合成路线以及后续的纯化或功能化强烈影响纳米金刚石用于特定电化学应用的适用性。除储能外，纳米金刚石还在催化、传感、药物递送、抛光、切削工具及其他先进材料领域得到研究。纳米金刚石研究的发展如图1所示。纳米金刚石相关出版物在20世纪90年代初之前相对有限，随后逐步增加，并在2000年后出现特别快速的扩展。这一趋势反映了纳米金刚石作为多功能纳米材料日益受到认可，以及其在生物医学、传感、催化、环境修复和电化学技术等领域的应用不断扩展。出版物数量的持续增长也表明对纳米金刚石合成控制、表面化学、分散性和集成到功能复合体系方面的持续关注。

纳米金刚石具有独特的机械、热、化学、光学和表面特性，以及可影响电化学行为的纳米尺度界面效应[12]。其功能化表面可与溶剂、聚合物、金属离子、活性颗粒和电解质物种相互作用[17]。特别是羟基、羧基、羰基、氨基及相关基团可改善纳米金刚石在电解质溶剂和复合基体中的分散性，同时作为金属离子和活性材料的锚定或相互作用位点。这些特性促进了纳米金刚石在电极、电解质、粘结剂和隔膜涂层中的引入。纳米金刚石通过抑制锂枝晶生长、稳定固-电解质界面（SEI）和提高离子电导率来改善电池性能。其丰富的表面功能基团使其能与锂离子强结合，产生均匀的通量，防止短路并延长电池寿命[18]、[19]。因此，纳米金刚石正在各种领域得到应用，包括储能系统。在锂离子电池中，纳米金刚石改善了电极[20]、[21]、电解质[22]、[23]和隔膜[24]的性能，增强了容量、充放电效率和循环稳定性[8]。在超级电容器中，纳米金刚石提供了优异的比电容和能量密度[25]、[26]；在燃料电池中，基于纳米金刚石的材料提升了导电性、催化活性和离子/质子传输[27]、[28]。由于这些独特性质，纳米金刚石被认为是储能系统的有前景材料。

尽管已有若干综述研究了纳米金刚石在传感[29]、合成与功能化[30]以及能源和工程领域的涂层应用[31]方面的进展，但针对不同电化学储能组件中纳米金刚石和金刚石衍生材料的统一批判性分析仍然有限。因此，本综述对纳米金刚石和金刚石衍生材料在电化学储能方面的最新进展进行了批判性审视。首先，将主要合成路线（包括爆炸法、高温高压处理、化学气相沉积和激光烧蚀）与所得的结构、表面和电学特性进行关联分析。随后，评估其在电池中作为电极改性剂、结构增强材料、电解质添加剂和隔膜涂层的应用，特别关注离子传输、界面调控、枝晶抑制、固-电解质界面形成和循环稳定性。之后讨论了纳米金刚石在超级电容器中的应用，包括掺杂金刚石薄膜、多孔和三维结构以及与导电碳、金属氧化物和聚合物的杂化材料。特别强调区分纳米金刚石的结构和界面贡献与掺杂剂、sp²碳区域、基底和第二相的导电作用。最后，本综述指出了当前纳米金刚石基材料在下一代电池和超级电容器中实际应用所面临的局限性、性能权衡和研究优先方向。

章节摘要

纳米金刚石的爆炸合成

通过爆炸工艺制造的DND因其广泛的用途以及能够一致地用特定化学基团对DND表面进行功能化而引起了大量关注，从而实现多种实际应用[32]。由于其大规模合成能力以及在调整纳米金刚石特征方面的简便性和通用性，该方法仍然是制备纳米金刚石的优选方法[11]、[33]、[34]、[35]。爆炸合成过程利用了

纳米金刚石的性质

纳米金刚石具有独特的固有性质组合，包括极高的硬度、良好的热导率、高折射率和优异的电阻率。这些特性使纳米金刚石在多种应用中极具吸引力[10]、[87]。与体金刚石相比，纳米金刚石具有几个独特优势，包括卓越的硬度、简便的表面改性、优异的热导率、固有荧光、在极端环境下卓越的稳定性以及

纳米金刚石在储能中的应用

在能源行业不断进步和自然环境持续恶化的背景下，开发高性能、环境友好的储能系统已成为实现现代世界可持续增长的关键挑战[117]。为解决能源相关问题，已开发了多种储能技术，如燃料电池、电池、电容器和超级电容器。这些系统的整体性能在很大程度上

挑战与未来展望

尽管取得了令人鼓舞的进展，纳米金刚石和金刚石衍生材料尚未确立为具有实际竞争力的储能材料。其报告的效益强烈依赖于纳米金刚石的来源、颗粒尺寸、表面终止、sp²/sp³碳比、杂质含量、分散状态、负载量以及周围的电极结构。此外，传统爆炸法纳米金刚石、高温高压衍生纳米金刚石、CVD生长的金刚石薄膜、硼掺杂金刚石、超纳米晶金刚石、钻石烯以及

结论

本综述汇总了含纳米金刚石和金刚石衍生材料在电化学储能方面的最新进展。在锂离子、钠离子、锂硫、双离子和锌基电池中，纳米金刚石已被引入电极、电解质、保护层和隔膜。现有证据表明，原始纳米金刚石通常作为结构和界面改性剂而非固有导电性或主导电荷存储相发挥作用。取决于

CRediT作者贡献声明

潘峰： 撰写—初稿，概念设计。Mohamed Hassan Eisa： 经费获取。Muhammad Tahir Saleh： 撰写—初稿，软件。Mohamed Abdel Rafea： 数据整理。李伟： 可视化，软件。Muhammad Khan： 撰写—审阅与编辑，监督，研究。

资助

本工作得到阿卜杜勒阿齐兹国王科技大学（IMSIU）科学研究委员会的支持与资助（项目编号IMSIU-DDRSP-RP2602）。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在利益冲突。

Muhammad Khan报告称中国深圳大学提供了行政支持。Muhammad Khan报告与深圳大学、中国存在关系。

Muhammad Khan声明本研究不存在利益冲突。

潘峰|Mohamed Hassan Eisa|Muhammad Tahir Saleh|Mohamed Abdel Rafea|李伟|Muhammad Khan