南开大学焦丽芳课题组Small综述：从一维纳米材料的设计合成到钠离子电池领域中的应用

【引言】

随着全球能源危机的加剧和环境的恶化，发展高效能源储存系统势在必行。在过去几十年间，锂离子电池的研究取得极大成功并且已经商业化，但其发展也受到日益短缺的锂资源限制。丰富的储量、低廉的成本和类似的理化性质使钠离子电池有可能代替锂离子电池成为下一代高性能二次电池，然而Na⁺半径较大，在电极材料中脱嵌困难导致其动力学缓慢，因此，开发高性能电极材料势在必行。一维纳米材料具有定向的电子离子传导方向，强大的应力承受能力以及短的轴向电子离子传输路径，被认为是十分高效稳定的钠离子电池电极材料。

【成果简介】

近日，南开大学焦丽芳课题组以“1D Nanomaterials: Design, Synthesis, and Applications in Sodium–Ion Batteries”为题在Small上发表了综述文章。文章总结了一维材料的性质，常见合成方法，以及在钠离子电池中的应用，讨论了一维纳米材料合成方法中的一些瓶颈与难点，并展望了其在能源储存与转化领域的应用前景。

【图文简介】

图1：综述摘要图

图2：综述总览图

目前，一维纳米材料（纳米线、纳米棒、纳米带等）的常见制备方法有：静电纺丝法、液相法、电沉积法、模板法、气相法等，这些方法各有优缺点，可以根据要求灵活应用，得到理想材料。一维纳米材料作为钠离子电池电极材料时具备很多优势：（1）短的离子扩散路径使得钠离子扩散动力学显著提高；（2）定向的电子离子传导方向使得导电性增加；（3）强大的应力承受能力使其可以有效缓解充放电过程中活性材料的结构变化，使得电化学稳定性明显提高。这些优势使一维纳米材料作为钠离子电池电极材料时展现出十分优异的性能。

图3：a,b）静电纺丝法制备的Sb纳米颗粒嵌于碳纳米纤维中的复合钠离子电池负极材料；c-e) 静电纺丝法结合后去除模板法制备的多孔一维纳米纤维。

图4：a-c）水热法制备的CoO纳米线生长在铜箔上作为一体化电极；d-f)两步水热法制备的TiO₂-B@Fe₂O₃纳米线分级结构。

图5：a-c）模板辅助电沉积法制备的Au 纳米颗粒包裹Ni 纳米线复合材料；d)利用电化学沉积法在纳米线阵列上制备多孔氢氧化物纳米片；e) 具有核壳结构的Co₃O₄/Co(OH)₂的SEM图片

图6：a-i）利用PAN纳米纤维作为模板制备的碳掺杂 Co₃O₄中空纳米纤维；j，k) 利用MnO₂作为模板通过两步水热法制备的三层的 TiO₂@C@MoS₂分级纳米管。

图7：a-g）利用化学气相沉积法在铜箔基底上制备的Zn₂GeO₄@C纳米线。

图8：a-c）利用静电纺丝法制备的MnFe₂O₄@C纳米纤维作为高性能钠离子电池负极材料；d，e)在铜箔上原位生长多孔CuO纳米阵列作为钠离子电池负极材料。f-i)利用静电纺丝法制备的MoS₂-C复合物作为钠离子电池负极材料。

图9：a-d）利用静电纺丝法制备的NaVPO₄F/C纳米纤维作为高性能自支撑钠离子电池正极材料；e-h)利用静电纺丝法制备的Na_2+2xM_2x(SO₄)₃复合多孔碳纳米纤维薄膜作为钠离子电池正极材料。

【总结与展望】

虽然基于一维纳米材料的钠离子电池的飞速发展充分展现了其巨大的应用潜力，但是其制备方法仍然存在一些不足。例如：静电纺丝法依旧无法制备出直径50nm以内的纳米纤维；水热法的重现性较差，不利于可控制备；原子层和化学气相沉积的应用范围窄。一维纳米材料的制备和广泛应用仍然需要进一步的研究和优化，但是，对于一维纳米材料的研究在一定程度上可以帮助我们理解其结构与功能间的关系，加深对其在能源储存与转化方面的理解，进而促进储能器件的进一步发展。因此，对于一维纳米材料的深入研究是十分必要且有意义的。

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

焦丽芳课题组简介

焦丽芳副教授课题组主要围绕电化学能量转换与存储技术中储能材料结构与储能性能的构效关系，重点研究氢、锂、钠、镁在金属基微纳电极材料中传输的热力学规律、扩散动力学和电化学极化现象等，研究纳米电极材料的高结晶度成长机理，及其组成、微结构、表面/界面性质等对其储能性能的影响规律。目前开展的研究方向为二次电池（包括：锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池等），以及纳米电催化析氢的研究。在国家优秀青年基金、国家自然科学基金、国家重点基金、国家973计划等的资助下，获得了一些创新性的成果。

在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Mater. Horiz., Small, Nanoscale, J Mater. Chem. A 等期刊上发表论文190余篇，累计引用4000多次，10篇论文入选近十年ESI高引用论文，1篇入选ESI全球TOP0.1%热点论文；获得国家授权发明专利7项。

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