北工大Nanoscale封面：具有离子输运调控功能的纳米通道用于促进电化学能量储存和转换的研究进展

背景介绍：

为解决日益严重的能源危机和环境问题从而适应现代社会的未来发展，对清洁和可再生能源的有效利用提出了很高的要求。长期以来，在各种先进的可再生能源中，电化电源由于具有几个显著的优点被认为是最有前途的能源储存和转换技术之一。电化学能量的储存和转换是以电子的产生、收集和释放为基础，并伴随着电化学活性材料和电解质之间的离子传输。一般来说，离子传输决定了电子的电化学性能，因为较慢的离子扩散限制了活性材料的氧化还原反应速率。因此，优化离子传输行为电化学储能装置的储能和转换提供了一条可行的途径。一方面，为了高效的能量储存和释放，通常需要离子在正极和负极之间快速传输，这就意味着需要高的离子电导率。另一方面，在大多数电化学储能装置中，只有单种类离子(通常是阳离子)的传输有助于电能的释放。相反的离子(通常是阴离子)的传输不仅阻碍载流子的传输，而且会导致一些不必要的问题，如副反应和极化等。因此，离子选择性传输对于实现电化学能量的有效利用具有重要意义。在调节离子传输方面，近年来发展起来的纳米流体是一个很好的选择。新兴纳米流体技术是一种利用纳米流体通道(即纳米通道)这一特定平台研究纳米尺度微环境中传输行为的技术。例如，一些纳米通道仅允许某些种类的离子进行传输，这被称为离子选择性。近年来，各种人工合成的纳米通道得到了发展。通过合理的设计和改性，人工合成的纳米通道具有与生物纳米通道相似甚至更好的离子传输调控行为，在电化学能量储存和转换领域具有潜在的应用前景。

成果简介：

基于此，北京工业大学的张倩倩教授和汪浩教授（共同通讯作者）团队报道了一篇关于具有离子传输调控功能的纳米通道在电化学能量储存与转换方面应用的综述。在本文中，作者首先介绍了纳米通道在电化学能量储存和转换方面的优势，重点介绍了纳米通道的高离子电导率和离子选择性传输。其次，作者介绍了纳米通道的构建策略，包括纳米通道的制备和功能改性等。此外，作者综述了近年来纳米通道在锂二次电池、动电能量转换系统和浓差电池中的研究进展。在总结国内外研究进展的基础上，作者对纳米通道在电化学能量储存和转换领域，特别是锂二次电池领域的应用前景进行了展望。研究成果以“Nanochannels regulating ionic transport for boosting electrochemical energy storage and conversion: a review”为题发表在国际著名期刊Nanoscale上。

图文导读:   

图1：纳米通道调控离子传输提升电化学能量储存与转换示意图

图2：纳米通道调控离子传输示意图

图3：纳米通道在电化学能量储存与转换中的应用

总结和展望：

纳米通道提供了一个良好的离子传输调控平台，其典型的特征是离子选择性，这是从动电能量转换和渗透能转换中获取能量的基础。因此，目前纳米通道在能源应用方面的主要研究是基于动电能量转换系统和浓差电池的研究。在锂二次电池中，引入纳米通道主要是为了解决锂枝晶的生长和穿梭效应等离子传输不受控制的关键问题，纳米通道为同时实现高锂离子电导率和高锂离子迁移数提供了很大的可能性，因此，纳米通道在能源相关的应用在未来可以扩展到一些高能量密度器件和便携式电子设备中。

文献链接：

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

本文由北京工业大学张倩倩教授和汪浩教授团队供稿。