斯坦福大學&武漢理工大學Chem. Rev.: 納米線用于電化學能源存儲

【引言】

電化學能源存儲器件由于具有高能量密度、高功率密度、長循環壽命和較低成本等特點，成為目前廣泛研究的儲能方式。相比于體相或者微米尺寸材料，納米材料由于獨特的尺寸效應在電化學儲 能器件中展現出獨特的優勢。將納米材料限域在一定維度可以顯著改善活性材料的利用率、動力學特性及所承受的應力應變。納米線作為一種典型的一維材料，因其在直徑方向的限域作用并且可沿軸向傳導電子，因此在能源存儲領域有著廣泛的應用前景，一直是儲能器件領域的研究熱點。納米線在能源存儲中應用的優點主要包括以下幾個方面：(1) 納米線可以提供大的電極電解液接觸面積，使電解液可以更加有效地到達電極的活性位點，增加材料的利用率和儲能器件的容量；(2) 納米線為電子轉移提供了直接的路徑，降低電荷的傳輸電阻，改善了電極的動力學特性；(3) 納米線可有效縮短離子傳輸的路徑，減少電極的充放電時間；(4) 納米線可以緩沖電極材料在充放電過程中的體積膨脹，減輕電極材料的結構破壞并延長電極材料的循環壽命；(5) 納米線大的長徑比、優異的機械柔韌性和高的楊氏模量有利于形成自支撐的、無粘結劑的三維導電網絡結構，用于構建柔性電極材料及器件；(6) 納米線作為一種理想的模型材料在原位電化學表征平臺中發揮著重要作用；(7) 納米線作為組裝單元可有效形成層次、分支、異質等復雜結構并用于構建各種儲能器件。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學的崔屹教授，周光敏博士與武漢理工大學的麥立強教授、徐林教授和胡光武博士結合課題組多年來在納米線儲能材料領域的研究，系統地綜述了納米線材料的結構特點和存在的挑戰，從納米線材料的合成，納米線器件及其在原位表征中的重要作用，以及納米線在鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池、超級電容器等電化學儲能器件中的應用和近期發展進行了闡述。最后，作者在總結歸納的基礎上客觀地提出了納米線電極材料未來可能的發展方向。該文章以題為“Nanowires for Electrochemical Energy Storage”應邀發表在國際頂級期刊Chemical Reviews上，并被選為期刊的正封面。

【圖文導讀（摘選）】

Figure 1. 納米線的合成方法、結構特征及其在電化學能源存儲器件中的應用。

納米線的設計與合成

Figure 2. 納米線合成方法概述。

Figure 3. 水熱/溶劑熱法合成Sb₂Se₃和Co₃Se₄納米線。

Figure 5. 共沉淀法合成Co–Co₃O₄@ZIF-NiCo₂O₄核殼結構納米線陣列。

Figure 6. 靜電紡絲法合成納米線。

納米線用于原位表征

Figure 10. 原位XRD表征應用示意圖。

Figure 13. 原位Raman表征。

Figure 14. 原位SEM表征。

Figure 15. 原位TEM表征。

Figure 16. 單根納米線電化學器件。

納米線用于鋰離子電池電極材料

Figure 17. Si/Ge納米線作為鋰離子電池負極材料。

Figure 22. 金屬氧化物納米線作為鋰離子電池負極材料。

Figure 25. 納米線作為鋰離子電池正極材料。

納米線用于鋰離子電池隔膜/電解質材料

Figure 27. 納米線作為鋰離子電池隔膜/固態電解質。

納米線用于柔性電極材料

Figure 29. 納米線作為柔性鋰離子電池電極材料。

納米線用于鈉離子電池電極材料

Figure 32. 納米線作為鈉離子電池正極材料。

Figure 34. 納米線作為鈉離子電池負極材料。

納米線在鋰硫電池中的應用

Figure 36. 納米線作為鋰硫電池正極材料。

Figure 38. 納米線作為鋰硫電池添加劑/隔層。

Figure 39. 納米線作為無枝晶鋰載體材料。

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納米線用于超級電容器電極材料

Figure 41. 碳基納米線作為雙電層電容器電極材料。

Figure 42. 納米線作為贗電容電容器電極材料。

Figure 44. 納米線作為混合型電容器電極材料。

【小結】

雖然納米線相對于體狀材料具備多種顯著的優勢，但是對于納米線基儲能器件的未來發展和實際應用來說，仍然存在著一定挑戰和可提升的空間。第一，納米線的產量仍然較低，同時，合成不同結構（例如分級結構、分支結構、核殼結構等）納米線的費用較高。因此，以較低的價格大規模制備性能優異、結構可控的納米線十分必要；第二，由于納米線的性能和納米線的形狀與尺寸密切相關，迫切需要開發形貌和尺寸精確可控納米線的有效制備方法；第三，需要設計不同的納米結構（如同軸結構、三軸結構、分級結構、核殼結構、多殼結構以及納米線陣列結構），以優化能量儲存器件的電化學性能；第四，由于納米線大的比表面積，在電解液-電極界面處會發生更多的副反應，因此需要構筑如碳包覆的保護界面、或者選擇合適的電解液以形成穩定的SEI層。

這一綜述論文，對納米線在能源存儲材料與器件上的發展和應用具有重要的指導意義。

【作者簡介】

周光敏，2014年博士畢業于中國科學院金屬研究所，導師為成會明院士和李峰研究員。2014-2015年于美國UT Austin從事博士后研究，合作導師為Arumugam Manthiram教授。2015-2019年在斯坦福大學崔屹教授課題組從事博士后研究，即將以副教授加入清華-伯克利深圳學院（清華大學深圳國際研究生院），主要研究方向為能源存儲材料與器件。

徐林，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室教授，博士生導師。2013年，獲得武漢理工大學博士學位（師從麥立強教授、張清杰院士和Charles M. Lieber院士），2011-2013年在美國哈佛大學作為聯合培養博士。博士畢業以后，先后在美國哈佛大學Lieber院士課題組（2013-2016年）和新加坡南洋理工大學樓雄文教授課題組（2016-2017年）從事博士后研究。研究方向為納米電化學儲能材料與器件。

胡光武，2014-2017年碩士就讀于武漢理工大學材料科學與工程學院（導師為張超燦教授），于2017年獲得武漢理工大學工學碩士學位，現為武漢理工大學復合新技術國家重點實驗室在讀博士（師從周亮教授和麥立強教授）。主要研究方向為納米儲能材料以及硅負極高能鋰電池。

麥立強，武漢理工大學材料學科首席教授，博士生導師，武漢理工大學材料科學與工程學院院長，教育部“長江學者特聘教授”（2016年度），國家重點研發計劃“納米科技”重點專項總體專家組成員。2004年在武漢理工大學獲工學博士學位，隨后在中國科學院外籍院士美國佐治亞理工學院王中林教授課題組、美國科學院院士哈佛大學Charles Lieber教授課題組、美國加州大學伯克利分校楊培東教授課題組從事博士后、高級研究學者研究。長期從事納米能源材料與器件研究，發表SCI論文300余篇，包括Nature及其子刊11篇。主持國家杰出青年科學基金、國家重大科學研究計劃課題、國家國際科技合作專項、國家自然科學基金重點項目等30余項科研項目。獲中國青年科技獎、光華工程科技獎（青年獎）、湖北省自然科學一等獎、侯德榜化工科學技術獎（青年獎）、EEST2018 Research Excellence Awards、Nanoscience Research Leader獎，入選國家“百千萬人才工程計劃”、科技部中青年科技創新領軍人才計劃，教育部新世紀優秀人才計劃，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，享受國務院政府特殊津貼；被評為英國皇家化學會中國“高被引學者”，入選英國皇家化學會會士。現任Adv. Mater.客座編輯，Acc. Chem. Res.、Joule、Adv. Electron. Mater.國際編委，Nano Res.編委。

崔屹，斯坦福大學材料科學與工程系教授。1993-1998年就讀于中國科學技術大學應用化學系，1998-2002年就讀于哈佛大學化學系，2003-2005年間在加州大學伯克利分校從事博士后研究工作；并于2005年加盟斯坦福大學。崔屹教授主要研究領域集中在能源存儲與轉化、納米顯微技術、納米環保技術、納米生物技術、先進材料的合成與制造等等，以納米技術為核心，多學科交叉，多方向并進是崔屹教授課題組研究的重要特點。崔屹教授先后在Science、Nature、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Communication、JACS等世界頂級期刊發表高水平論文400余篇，總被引頻次高達十三萬多次。他是Nano Letters副主編，同時也是由美國能源部投資支持的灣區光伏聯盟和Battery500的聯合主任。2017年榮獲Blavatnik青年科學大獎。崔屹教授還是一位創業家，9年前，他創辦了第一家公司安普瑞斯（Amprius），生產硅負極高能鋰電池；2015年，他和諾獎得主、美國前能源部部長朱棣文教授共同創辦了4CAir公司，生產霧霾過濾產品，他最近還創立了EEnovate Technology Inc。

【文章鏈接】

Guangmin Zhou, Lin Xu, Guangwu Hu, Liqiang Mai, Yi Cui, Nanowires for Electrochemical Energy Storage. Chem. Rev., 2019, DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00326.

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