斯坦福大学&武汉理工大学Chem. Rev.: 纳米线用于电化学能源存储

【引言】

电化学能源存储器件由于具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和较低成本等特点，成为目前广泛研究的储能方式。相比于体相或者微米尺寸材料，纳米材料由于独特的尺寸效应在电化学储 能器件中展现出独特的优势。将纳米材料限域在一定维度可以显著改善活性材料的利用率、动力学特性及所承受的应力应变。纳米线作为一种典型的一维材料，因其在直径方向的限域作用并且可沿轴向传导电子，因此在能源存储领域有着广泛的应用前景，一直是储能器件领域的研究热点。纳米线在能源存储中应用的优点主要包括以下几个方面：(1) 纳米线可以提供大的电极电解液接触面积，使电解液可以更加有效地到达电极的活性位点，增加材料的利用率和储能器件的容量；(2) 纳米线为电子转移提供了直接的路径，降低电荷的传输电阻，改善了电极的动力学特性；(3) 纳米线可有效缩短离子传输的路径，减少电极的充放电时间；(4) 纳米线可以缓冲电极材料在充放电过程中的体积膨胀，减轻电极材料的结构破坏并延长电极材料的循环寿命；(5) 纳米线大的长径比、优异的机械柔韧性和高的杨氏模量有利于形成自支撑的、无粘结剂的三维导电网络结构，用于构建柔性电极材料及器件；(6) 纳米线作为一种理想的模型材料在原位电化学表征平台中发挥着重要作用；(7) 纳米线作为组装单元可有效形成层次、分支、异质等复杂结构并用于构建各种储能器件。

【成果简介】

近日，斯坦福大学的崔屹教授，周光敏博士与武汉理工大学的麦立强教授、徐林教授和胡光武博士结合课题组多年来在纳米线储能材料领域的研究，系统地综述了纳米线材料的结构特点和存在的挑战，从纳米线材料的合成，纳米线器件及其在原位表征中的重要作用，以及纳米线在锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、超级电容器等电化学储能器件中的应用和近期发展进行了阐述。最后，作者在总结归纳的基础上客观地提出了纳米线电极材料未来可能的发展方向。该文章以题为“Nanowires for Electrochemical Energy Storage”应邀发表在国际顶级期刊Chemical Reviews上，并被选为期刊的正封面。

【图文导读（摘选）】

Figure 1. 纳米线的合成方法、结构特征及其在电化学能源存储器件中的应用。

纳米线的设计与合成

Figure 2. 纳米线合成方法概述。

Figure 3. 水热/溶剂热法合成Sb₂Se₃和Co₃Se₄纳米线。

Figure 5. 共沉淀法合成Co–Co₃O₄@ZIF-NiCo₂O₄核壳结构纳米线阵列。

Figure 6. 静电纺丝法合成纳米线。

纳米线用于原位表征

Figure 10. 原位XRD表征应用示意图。

Figure 13. 原位Raman表征。

Figure 14. 原位SEM表征。

Figure 15. 原位TEM表征。

Figure 16. 单根纳米线电化学器件。

纳米线用于锂离子电池电极材料

Figure 17. Si/Ge纳米线作为锂离子电池负极材料。

Figure 22. 金属氧化物纳米线作为锂离子电池负极材料。

Figure 25. 纳米线作为锂离子电池正极材料。

纳米线用于锂离子电池隔膜/电解质材料

Figure 27. 纳米线作为锂离子电池隔膜/固态电解质。

纳米线用于柔性电极材料

Figure 29. 纳米线作为柔性锂离子电池电极材料。

纳米线用于钠离子电池电极材料

Figure 32. 纳米线作为钠离子电池正极材料。

Figure 34. 纳米线作为钠离子电池负极材料。

纳米线在锂硫电池中的应用

Figure 36. 纳米线作为锂硫电池正极材料。

Figure 38. 纳米线作为锂硫电池添加剂/隔层。

Figure 39. 纳米线作为无枝晶锂载体材料。

纳米线用于超级电容器电极材料

Figure 41. 碳基纳米线作为双电层电容器电极材料。

Figure 42. 纳米线作为赝电容电容器电极材料。

Figure 44. 纳米线作为混合型电容器电极材料。

【小结】

虽然纳米线相对于体状材料具备多种显著的优势，但是对于纳米线基储能器件的未来发展和实际应用来说，仍然存在着一定挑战和可提升的空间。第一，纳米线的产量仍然较低，同时，合成不同结构（例如分级结构、分支结构、核壳结构等）纳米线的费用较高。因此，以较低的价格大规模制备性能优异、结构可控的纳米线十分必要；第二，由于纳米线的性能和纳米线的形状与尺寸密切相关，迫切需要开发形貌和尺寸精确可控纳米线的有效制备方法；第三，需要设计不同的纳米结构（如同轴结构、三轴结构、分级结构、核壳结构、多壳结构以及纳米线阵列结构），以优化能量储存器件的电化学性能；第四，由于纳米线大的比表面积，在电解液-电极界面处会发生更多的副反应，因此需要构筑如碳包覆的保护界面、或者选择合适的电解液以形成稳定的SEI层。

这一综述论文，对纳米线在能源存储材料与器件上的发展和应用具有重要的指导意义。

【作者简介】

周光敏，2014年博士毕业于中国科学院金属研究所，导师为成会明院士和李峰研究员。2014-2015年于美国UT Austin从事博士后研究，合作导师为Arumugam Manthiram教授。2015-2019年在斯坦福大学崔屹教授课题组从事博士后研究，即将以副教授加入清华-伯克利深圳学院（清华大学深圳国际研究生院），主要研究方向为能源存储材料与器件。

徐林，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室教授，博士生导师。2013年，获得武汉理工大学博士学位（师从麦立强教授、张清杰院士和Charles M. Lieber院士），2011-2013年在美国哈佛大学作为联合培养博士。博士毕业以后，先后在美国哈佛大学Lieber院士课题组（2013-2016年）和新加坡南洋理工大学楼雄文教授课题组（2016-2017年）从事博士后研究。研究方向为纳米电化学储能材料与器件。

胡光武，2014-2017年硕士就读于武汉理工大学材料科学与工程学院（导师为张超灿教授），于2017年获得武汉理工大学工学硕士学位，现为武汉理工大学复合新技术国家重点实验室在读博士（师从周亮教授和麦立强教授）。主要研究方向为纳米储能材料以及硅负极高能锂电池。

麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，教育部“长江学者特聘教授”（2016年度），国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在中国科学院外籍院士美国佐治亚理工学院王中林教授课题组、美国科学院院士哈佛大学Charles Lieber教授课题组、美国加州大学伯克利分校杨培东教授课题组从事博士后、高级研究学者研究。长期从事纳米能源材料与器件研究，发表SCI论文300余篇，包括Nature及其子刊11篇。主持国家杰出青年科学基金、国家重大科学研究计划课题、国家国际科技合作专项、国家自然科学基金重点项目等30余项科研项目。获中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、EEST2018 Research Excellence Awards、Nanoscience Research Leader奖，入选国家“百千万人才工程计划”、科技部中青年科技创新领军人才计划，教育部新世纪优秀人才计划，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；被评为英国皇家化学会中国“高被引学者”，入选英国皇家化学会会士。现任Adv. Mater.客座编辑，Acc. Chem. Res.、Joule、Adv. Electron. Mater.国际编委，Nano Res.编委。

崔屹，斯坦福大学材料科学与工程系教授。1993-1998年就读于中国科学技术大学应用化学系，1998-2002年就读于哈佛大学化学系，2003-2005年间在加州大学伯克利分校从事博士后研究工作；并于2005年加盟斯坦福大学。崔屹教授主要研究领域集中在能源存储与转化、纳米显微技术、纳米环保技术、纳米生物技术、先进材料的合成与制造等等，以纳米技术为核心，多学科交叉，多方向并进是崔屹教授课题组研究的重要特点。崔屹教授先后在Science、Nature、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Communication、JACS等世界顶级期刊发表高水平论文400余篇，总被引频次高达十三万多次。他是Nano Letters副主编，同时也是由美国能源部投资支持的湾区光伏联盟和Battery500的联合主任。2017年荣获Blavatnik青年科学大奖。崔屹教授还是一位创业家，9年前，他创办了第一家公司安普瑞斯（Amprius），生产硅负极高能锂电池；2015年，他和诺奖得主、美国前能源部部长朱棣文教授共同创办了4CAir公司，生产雾霾过滤产品，他最近还创立了EEnovate Technology Inc。

【文章链接】

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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