综述：基于量子点的材料创新在高性能储能系统中的应用：综述性研究

《Journal of Energy Storage》：Quantum dot–driven material innovations for high-performance energy storage system: A critical review

　　Leena Veeranna Hublikar | K.S. Nivedhitha | P. Indhiradevi | Varsha V. Koppal | N.R. Banapurmath | Manzoore Elahi M. Soudagar | K. Rajesh | Irfan Anjum Badruddin | Essam R.I. Mahmoud
印度卡纳塔克邦Hubballi市KLE技术大学高等科学学院化学系

**摘要**
量子点（ quantum dots, QDs）基电极已成为钠离子（SIBs）和钾离子电池中最有前途的储能材料，这些电池是锂离子电池的替代品。由于其纳米级尺寸、高表面积和可调的电子结构，量子点能够实现更快的离子扩散、更高的电荷转移速度以及更大的存储容量。基于量子点的材料因其量子限制效应、增多的活性位点以及较低的体积膨胀效应而成为下一代高性能储能设备的首选候选材料。总体而言，量子点的尺寸敏感电子结构以及对界面动力学的强控制能力成为开发下一代可持续、高能量密度和长寿命储能设备的关键平台。这篇综述全面探讨了量子点作为先进储能系统创新材料的应用价值，深入分析了其分类、多种合成方法（特别关注绿色和仿生方法），以及基于量子限制的独特光学、电子和结构特性。综述还批判性地研究了量子点如何利用其尺寸依赖性特性和高表面积与体积比来提升各种储能设备的性能。研究范围涵盖了成熟技术（如超级电容器和锂离子电池）以及新兴的下一代系统（如钠离子电池、钾离子电池、锂硫电池和锂空气电池）。关键研究表明，量子点在这些平台上显著改善了电荷转移动力学、循环稳定性和能量密度。文章还对比分析了量子点与传统纳米材料的优势、局限性以及其在开发和应用过程中面临的环境和可扩展性挑战，并指出了未来的研究方向，强调了可持续量子点化学、智能材料设计以及人工智能在加速实现高性能、耐用和环保型储能解决方案方面的潜力。

**引言**
量子点（QDs）是尺寸在1–10纳米范围内的零维（0D）半导体纳米晶体，量子限制效应使得它们具有独特的光学和电子特性。通过控制尺寸和形状可以调节其带隙强度，从而使其比传统块体材料具有更好的性能[1]。因此，量子点被视为下一代材料，在光生成、光催化、传感器和储能设备中的应用前景广阔。此外，由于量子点的高表面积与体积比，它们在离子散射和电荷存储方面表现出高效率。强大的电子耦合能力和可调的光学特性使得它们成为锂离子电池（LIBs）和超级电容器（supercapacitors）等设备的理想选择[2],[3]。

20世纪90年代初，量子点是通过偶然的合成过程获得的。但随着胶体技术、水热方法和表面动态控制技术的发展，量子点现在能够以更可控的方式生产。近年来量子点的快速发展为钙钛矿和碳基材料的应用开辟了新的维度，这是从纳米材料到实际应用转化过程中的关键一步[4],[5]。本综述全面涵盖了关于锂硫电池（LiS）、锂空气电池和多价离子电池等下一代电池系统的最新和高影响力研究文献。研究表明，锂硫电池中的多硫化物穿梭效应、硫正极的尺寸膨胀以及电解质-电极相互作用是限制性能的主要电化学问题[6],[7]。最近的研究集中在固态电解质上[6],[7]。对于锂空气电池，氧气还原反应（ORR）和氧气释放反应（OER）的速度缓慢、Li?O?结构不稳定以及正极催化剂是目前实现该技术实用化的主要挑战[8],[9]。尽管多价离子电池（Mg2+, Zn2+, Al3+）具有较高的理论性能潜力，但多电荷离子的扩散动力学缓慢、离子-宿主相互作用强以及界面不稳定性限制了其性能[10],[11]。最新文献提出了新的电解质化学、软晶格正极材料和界面工程技术来克服这些挑战[10],[11]。总体而言，本综述通过全面而批判性地分析基本电化学机制、材料设计挑战、性能局限性和未来研究方向，清晰地描绘了该领域的现状和未来研究方向。

随着温室气体排放量增加和全球变暖的严峻形势，人类迫切需要从传统的碳氢化合物资源转向清洁能源。在此背景下，可持续储能技术对于高效存储和使用来自可再生能源（太阳能、风能、水能）的电能至关重要。然而，现有的锂离子电池或超级电容器存在性能不稳定、寿命有限和环境污染等问题。因此，像量子点这样的纳米级新材料备受期待。它们有助于提高电荷存储容量、能量密度和长期稳定性。因此，开发新的基于量子点的绿色合成技术对于实现可持续能源未来至关重要[12],[13],[14]。

这篇关于储能设备的数据综述强调了量子点在提升充电容量、循环稳定性和倍率性能等关键指标方面的变革性作用。由于量子点可调的电子性质、高表面积和量子限制效应，特别是基于碳、金属氧化物和硫属化合物的量子点，正被集成到超级电容器、锂离子电池和新兴的混合系统中。综述涵盖了2000年至2025年的相关出版物，显示出跨学科研究的显著增长，这些研究结合了材料科学、化学和工程学[15],[16]。图1(a)显示，自2016年以来与质子交换相关的出版物数量呈指数级增长，到2024-2025年达到了140多篇的峰值，这反映了全球对可持续能源转型和储能技术研究的快速扩张。图1(b)对2013-2025年间主要国际期刊（如《Journal of Energy Storage》和《Chemical Engineering Journal》）的出版物进行分析，发现2022年后增长尤为显著。这一趋势表明了一代新的创业公司和科学家们正致力于开发高性能和环保型的质子交换膜燃料电池（PEMFCs）混合纳米材料和创新储能设备[17]。

综述批判性地分析了量子点在高性能储能系统发展中的作用，简要介绍了量子点的基本特性、电子和光学特性及其在储能领域的应用价值。同时，还探讨了量子点在电池、超级电容器和混合储能系统中的创新，分析了提高性能的关键机制，包括增强导电性、改善离子释放和结构稳定性等方面。此外，还解释了量子点合成方法、表面应用以及环保绿色合成方法的重要性。评论着重分析了量子点在锂离子电池、超级电容器和新兴储能技术中的作用，强调了它们对设备性能提升的贡献、广泛应用的挑战以及未来研究方向[18],[19],[20]。

从学科分布来看（图2(a)），化学、物理和化学工程占据了较大比重，体现了材料研究的跨学科特性。工程学（17.8%）体现了将科学发现转化为实际技术的应用视角；能源科学（6.7%）和环境科学（2.3%）显示出对可持续和清洁技术创新的兴趣增长；而生物化学和分子生物学（2.8%）则指向纳米技术和生物医学应用中的新材料协同使用新前沿。尽管计算机科学和数学的贡献相对较小，但它们已成为建模和数据驱动对象设计的关键基础技术。图2(b)显示了质子交换和储能材料研究领域的国家分布，中国和印度分别位居榜首，美国和韩国紧随其后，显示出亚洲国家在这一领域的主导地位[21]。图2(c)进一步展示了各国在质子交换和储能材料研究方面的出版物分布，中国和印度占全球产量的大部分。美国和韩国也是重要贡献者，凸显了亚洲国家在该领域的领先地位[22],[23]。

鉴于全球对清洁和可持续能源需求的增长，对高性能储能系统的需求也在迅速增加。电动汽车、可再生能源（太阳能和风能）、便携式电子设备和智能电网系统的发展进一步推动了这一需求。然而，传统电极材料存在许多局限性，如导电性低、离子传输慢、循环稳定性差和材料结构退化等问题。最新研究表明，纳米级材料可以有效解决这些问题，尤其是通过增加表面积和改善电子传输性能[25],[26]。正是在这种背景下，量子点为储能材料带来了新的概念。量子点的尺寸依赖性电子特性、高表面积和可控的表面执行能力有助于提升储能设备的性能。最新的研究进展表明，碳量子点、金属氧化物量子点和混合纳米化合物在超级电容器和电池中表现出更好的循环稳定性和更快的充放电能力[27],[28]。

**量子点的历史与化学**
量子点的发展经历了四个主要阶段：从基础发现到微合成和应用。20世纪80年代，Alexey Ekimov和Louise Bruss建立了量子限制理论，用于确定纳米颗粒的尺寸；90年代，Maungi Bavendi、A.P. Alivisatos等人通过热注射合成技术制备出了高质量、均匀的量子点[3]。21世纪，Paul Pradeep等人发展了绿色合成方法，采用生物质、植物提取物和微生物途径在环保安全的环境中制备量子点，减少了有毒元素（如Cd、Pb）的使用，并生成无害物质[4]。根据绿色化学原则，配体和个人剂可以从植物激素、酶或碳基工具中获得。这种方法适用于具有高表面积的量子点[144],[145]。

**量子点驱动的材料创新**
量子点推动了高性能储能系统的发展。通过将量子点与碳材料、金属氧化物、过渡金属化合物和混合纳米化合物结合，开发出了先进的电极材料。这些化合物结构由于量子点的尺寸依赖性电子特性、高表面积和改善的导电性而增强了电池和超级电容器的性能[144],[145]。超级电容器的核心原理是通过物理表面或电化学镀层储存能量，量子点有助于提高电极容量、充电/放电效率和长期循环稳定性[145]（见表3）。与传统纳米材料（如石墨烯、碳纳米管、金属氧化物）相比，量子点在电荷转移效率和循环稳定性方面具有明显优势[15],[16]。

**量子点与传统纳米材料的性能比较**
虽然传统纳米材料具有人工导电性和机械稳定性，但它们的带隙调节能力有限，从而限制了在电光应用中的灵活性。量子点的尺寸依赖性带隙调节使其具有独特的电子和光学特性，从而提高了储能设备的性能[145]。另一方面，量子点（QDs）极其轻便，并且相较于现有的能量存储技术提供了更大的表面积。量子点已成为能源存储设备研究领域中增长最快的方向之一。多项研究表明，基于量子点的超级电容器和锂离子电池表现出高能量效率、快速的充放电性能以及长期的循环稳定性。这主要归功于量子点尺寸可调的电子结构、较大的表面积以及改进的电极-电解质相互作用。此外，通过绿色化学方法制备量子点的趋势也日益重要，即采用环保、可持续的合成路线。利用生物质、天然聚合物和废弃物制造碳基量子点是一种低成本且易于扩展的生产方式。绿色化学技术可以通过水热法或微波法以较低的能耗生产量子点，同时避免了有害化学溶剂的 ??。这种大规模绿色合成技术在成本效益方面实现了平衡。

结论与展望：未来最重要的发展方向之一是绿色量子点化学，即采用环保、可持续的合成方法。利用生物质、天然聚合物和废弃物来制备量子点既经济又可行。作者感谢国王哈立德大学研究与合作研究生院通过项目编号RGP.2/476/46的资助支持了这项研究工作。