南開大學焦麗芳課題組Small綜述：從一維納米材料的設計合成到鈉離子電池領域中的應用

【引言】

隨著全球能源危機的加劇和環境的惡化，發展高效能源儲存系統勢在必行。在過去幾十年間，鋰離子電池的研究取得極大成功并且已經商業化，但其發展也受到日益短缺的鋰資源限制。豐富的儲量、低廉的成本和類似的理化性質使鈉離子電池有可能代替鋰離子電池成為下一代高性能二次電池，然而Na⁺半徑較大，在電極材料中脫嵌困難導致其動力學緩慢，因此，開發高性能電極材料勢在必行。一維納米材料具有定向的電子離子傳導方向，強大的應力承受能力以及短的軸向電子離子傳輸路徑，被認為是十分高效穩定的鈉離子電池電極材料。

【成果簡介】

近日，南開大學焦麗芳課題組以“1D Nanomaterials: Design, Synthesis, and Applications in Sodium–Ion Batteries”為題在Small上發表了綜述文章。文章總結了一維材料的性質，常見合成方法，以及在鈉離子電池中的應用，討論了一維納米材料合成方法中的一些瓶頸與難點，并展望了其在能源儲存與轉化領域的應用前景。

【圖文簡介】

圖1：綜述摘要圖

圖2：綜述總覽圖

目前，一維納米材料（納米線、納米棒、納米帶等）的常見制備方法有：靜電紡絲法、液相法、電沉積法、模板法、氣相法等，這些方法各有優缺點，可以根據要求靈活應用，得到理想材料。一維納米材料作為鈉離子電池電極材料時具備很多優勢：（1）短的離子擴散路徑使得鈉離子擴散動力學顯著提高；（2）定向的電子離子傳導方向使得導電性增加；（3）強大的應力承受能力使其可以有效緩解充放電過程中活性材料的結構變化，使得電化學穩定性明顯提高。這些優勢使一維納米材料作為鈉離子電池電極材料時展現出十分優異的性能。

圖3：a,b）靜電紡絲法制備的Sb納米顆粒嵌于碳納米纖維中的復合鈉離子電池負極材料；c-e) 靜電紡絲法結合后去除模板法制備的多孔一維納米纖維。

圖4：a-c）水熱法制備的CoO納米線生長在銅箔上作為一體化電極；d-f)兩步水熱法制備的TiO₂-B@Fe₂O₃納米線分級結構。

圖5：a-c）模板輔助電沉積法制備的Au 納米顆粒包裹Ni 納米線復合材料；d)利用電化學沉積法在納米線陣列上制備多孔氫氧化物納米片；e)?具有核殼結構的Co₃O₄/Co(OH)₂的SEM圖片

圖6：a-i）利用PAN納米纖維作為模板制備的碳摻雜 Co₃O₄中空納米纖維；j，k) 利用MnO₂作為模板通過兩步水熱法制備的三層的 TiO₂@C@MoS₂分級納米管。

圖7：a-g）利用化學氣相沉積法在銅箔基底上制備的Zn₂GeO₄@C納米線。

圖8：a-c）利用靜電紡絲法制備的MnFe₂O₄@C納米纖維作為高性能鈉離子電池負極材料；d，e)在銅箔上原位生長多孔CuO納米陣列作為鈉離子電池負極材料。f-i)利用靜電紡絲法制備的MoS₂-C復合物作為鈉離子電池負極材料。

圖9：a-d）利用靜電紡絲法制備的NaVPO₄F/C納米纖維作為高性能自支撐鈉離子電池正極材料；e-h)利用靜電紡絲法制備的Na_2+2xM_2x(SO₄)₃復合多孔碳納米纖維薄膜作為鈉離子電池正極材料。

【總結與展望】

雖然基于一維納米材料的鈉離子電池的飛速發展充分展現了其巨大的應用潛力，但是其制備方法仍然存在一些不足。例如：靜電紡絲法依舊無法制備出直徑50nm以內的納米纖維；水熱法的重現性較差，不利于可控制備；原子層和化學氣相沉積的應用范圍窄。一維納米材料的制備和廣泛應用仍然需要進一步的研究和優化，但是，對于一維納米材料的研究在一定程度上可以幫助我們理解其結構與功能間的關系，加深對其在能源儲存與轉化方面的理解，進而促進儲能器件的進一步發展。因此，對于一維納米材料的深入研究是十分必要且有意義的。

文獻鏈接：1D Nanomaterials: Design, Synthesis, and Applications in Sodium–Ion Batteries（Small，2017，DOI: 10.1002/smll.201703086）

焦麗芳課題組簡介

焦麗芳副教授課題組主要圍繞電化學能量轉換與存儲技術中儲能材料結構與儲能性能的構效關系，重點研究氫、鋰、鈉、鎂在金屬基微納電極材料中傳輸的熱力學規律、擴散動力學和電化學極化現象等，研究納米電極材料的高結晶度成長機理，及其組成、微結構、表面/界面性質等對其儲能性能的影響規律。目前開展的研究方向為二次電池（包括：鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池等），以及納米電催化析氫的研究。在國家優秀青年基金、國家自然科學基金、國家重點基金、國家973計劃等的資助下，獲得了一些創新性的成果。

在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Mater. Horiz., Small, Nanoscale, J Mater. Chem. A 等期刊上發表論文190余篇，累計引用4000多次，10篇論文入選近十年ESI高引用論文，1篇入選ESI全球TOP0.1%熱點論文；獲得國家授權發明專利7項。

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