北工大Nanoscale封面：具有離子輸運調控功能的納米通道用于促進電化學能量儲存和轉換的研究進展

背景介紹：

為解決日益嚴重的能源危機和環境問題從而適應現代社會的未來發展，對清潔和可再生能源的有效利用提出了很高的要求。長期以來，在各種先進的可再生能源中，電化電源由于具有幾個顯著的優點被認為是最有前途的能源儲存和轉換技術之一。電化學能量的儲存和轉換是以電子的產生、收集和釋放為基礎，并伴隨著電化學活性材料和電解質之間的離子傳輸。一般來說，離子傳輸決定了電子的電化學性能，因為較慢的離子擴散限制了活性材料的氧化還原反應速率。因此，優化離子傳輸行為電化學儲能裝置的儲能和轉換提供了一條可行的途徑。一方面，為了高效的能量儲存和釋放，通常需要離子在正極和負極之間快速傳輸，這就意味著需要高的離子電導率。另一方面，在大多數電化學儲能裝置中，只有單種類離子(通常是陽離子)的傳輸有助于電能的釋放。相反的離子(通常是陰離子)的傳輸不僅阻礙載流子的傳輸，而且會導致一些不必要的問題，如副反應和極化等。因此，離子選擇性傳輸對于實現電化學能量的有效利用具有重要意義。在調節離子傳輸方面，近年來發展起來的納米流體是一個很好的選擇。新興納米流體技術是一種利用納米流體通道(即納米通道)這一特定平臺研究納米尺度微環境中傳輸行為的技術。例如，一些納米通道僅允許某些種類的離子進行傳輸，這被稱為離子選擇性。近年來，各種人工合成的納米通道得到了發展。通過合理的設計和改性，人工合成的納米通道具有與生物納米通道相似甚至更好的離子傳輸調控行為，在電化學能量儲存和轉換領域具有潛在的應用前景。

成果簡介：

基于此，北京工業大學的張倩倩教授和汪浩教授（共同通訊作者）團隊報道了一篇關于具有離子傳輸調控功能的納米通道在電化學能量儲存與轉換方面應用的綜述。在本文中，作者首先介紹了納米通道在電化學能量儲存和轉換方面的優勢，重點介紹了納米通道的高離子電導率和離子選擇性傳輸。其次，作者介紹了納米通道的構建策略，包括納米通道的制備和功能改性等。此外，作者綜述了近年來納米通道在鋰二次電池、動電能量轉換系統和濃差電池中的研究進展。在總結國內外研究進展的基礎上，作者對納米通道在電化學能量儲存和轉換領域，特別是鋰二次電池領域的應用前景進行了展望。研究成果以“Nanochannels regulating ionic transport for boosting electrochemical energy storage and conversion: a review”為題發表在國際著名期刊Nanoscale上。

圖文導讀:???

圖1：納米通道調控離子傳輸提升電化學能量儲存與轉換示意圖

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圖2：納米通道調控離子傳輸示意圖

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圖3：納米通道在電化學能量儲存與轉換中的應用

總結和展望：

納米通道提供了一個良好的離子傳輸調控平臺，其典型的特征是離子選擇性，這是從動電能量轉換和滲透能轉換中獲取能量的基礎。因此，目前納米通道在能源應用方面的主要研究是基于動電能量轉換系統和濃差電池的研究。在鋰二次電池中，引入納米通道主要是為了解決鋰枝晶的生長和穿梭效應等離子傳輸不受控制的關鍵問題，納米通道為同時實現高鋰離子電導率和高鋰離子遷移數提供了很大的可能性，因此，納米通道在能源相關的應用在未來可以擴展到一些高能量密度器件和便攜式電子設備中。

文獻鏈接：

Nanochannels regulating ionic transport for boosting electrochemical energy storage and conversion: a review. (Nanoscale, 2020. https://doi.org/10.1039/D0NR02464C)

本文由北京工業大學張倩倩教授和汪浩教授團隊供稿。