Nano Energy：可充锂电池用纳米材料形态控制的进展与展望

锂离子电池是目前占主导地位的储能技术，在过去30年取得了很大进展，未来几年前景广阔。纳米科学为可充锂电池的研究开辟了新的可能性，提高了材料的性能，并促成了新的化学研究。形态控制是丰富的纳米技术的关键，它对设计用于可充锂电池的纳米材料的性能具有重大影响。

新加坡科技研究局Jackie Y.Ying等讨论了纳米材料的形态控制原理，并分析了形态控制对不同可充锂电池化学性能的影响，强调了不同形态的优缺点、纳米材料电池的挑战及其商业化潜力。最后，总结了使用形态受控的纳米材料进一步推进可充锂电池领域的有前景策略。

纳米结构处理对新型和改善型可充锂电池的开发产生了难以置信的影响。纳米材料的尺寸减小可以缩短锂离子的扩散路径，这有利于快速动力学和高充放电速率。此外，由于尺寸的原因，纳米材料特别适合在锂化/脱锂过程中调节结构变化，从而防止材料粉碎。

另外，纳米材料的大比表面积在增加电池中的界面法拉第反应和穿过电极-电解液界面的锂离子通量方面起着主要作用，从而提高容量。此外，大多数纳米材料中易于控制的结晶度为电子传输提供了稳定的通道，并使纳米材料能够承受循环应变，从而提高了电池的稳定性。

Nano Energy：可充锂电池用纳米材料形态控制的进展与展望

图1. 控制0D、1D、2D和3D纳米材料形态的代表性方法

在过去的30年里，研究人员设计并合成了无数用于各种应用的单分散纳米材料。零维（0D）纳米材料，也称为纳米颗粒，其所有尺寸都在纳米尺度内。一维（1D）纳米材料，例如纳米棒、纳米管和纳米线，存在一维超越了纳米尺度。二维（2D）纳米材料，如石墨烯、纳米薄膜、纳米层和纳米涂层，存在二维超越了纳米尺度，由板状形貌组成。

最后，三维（3D）纳米材料是包含纳米结构特征/架构的微结构；包括中空微/纳米结构、纳米颗粒组件、纳米线束、多纳米层和金属有机框架（MOF）。0D纳米材料已被广泛应用于改善材料性能。然而，随着储能领域的快速发展，为进一步提高性能或满足特定需求，人们开发了更复杂的形貌。

目前，各种各样的0D、1D、2D、3D和杂化纳米结构被用于不同的锂电池化学中。它们在锂电池中的作用已经超出了直接储锂，还包括催化电化学反应和捕获反应中间体。形态控制是一个关键参数，用于赋予纳米材料以显著的通用性，以适应不同的锂电池系统。

图2. 2D纳米材料在可充锂电池中的应用

但是，无论纳米材料的形状如何，高电解液/电极表面积都可能导致循环过程中的寄生反应，从而限制电池的寿命。另一方面，某些纳米材料的低振实密度可能会降低体积能量密度。此外，可充锂电池纳米材料的商业化尚未达到预期，主要是由于（i）它们的合成复杂且成本高，尤其是在1D、2D和3D纳米结构的情况下，以及（ii）它们无法保持高性能工业标准。

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图3. 3D纳米材料在可充锂电池中的应用

Advances in and Prospects of Nanomaterials’ Morphological Control for Lithium Rechargeable Batteries. Nano Energy 2021. DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106860

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