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  鋰金屬因其高比容量和低電極電位被認(rèn)為是提高電池能量密度的最具潛力的負(fù)極材料。然而，鋰金屬負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用仍然面臨著枝晶生長(zhǎng)不可控、體積無(wú)限膨脹等嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近日，東華大學(xué)丁彬教授/閆建華教授團(tuán)隊(duì)在ACS Nano上發(fā)表了題為“Advances in Nanofibrous Materials for Stable Lithium-Metal Anodes”的綜述文章。

  近年來(lái)，納米材料的發(fā)展為金屬鋰電池的復(fù)興帶來(lái)了新的機(jī)遇。各種納米結(jié)構(gòu)材料因其獨(dú)特的納米尺寸效應(yīng)和物化特性使金屬鋰負(fù)極的性能得到了巨大的提升。納米材料可分為零維納米材料即納米顆粒材料、一維納米材料(如納米線、棒、管和纖維等)、二維納米材料(如納米片、納米盤(pán)、超晶格等)和三維納米結(jié)構(gòu)材料。眾所周知，零維納米顆粒材料的表面積大，表面能高，處于能量不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生團(tuán)聚形成粒徑較大的聚集體以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，使納米顆粒難以發(fā)揮其獨(dú)特作用。此外，二維納米材料的制備存在速度慢、良率低、可控性差等問(wèn)題，傳統(tǒng)自下而上的方法難以合成大面積規(guī)整二維納米材料。相比之下，具有高縱橫比的納米纖維材料因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了在鋰金屬負(fù)極保護(hù)領(lǐng)域的巨大潛力。從結(jié)構(gòu)上講，一維納米纖維具有高比表面積，結(jié)構(gòu)可調(diào)性強(qiáng)，可以通過(guò)控制納米纖維的二級(jí)結(jié)構(gòu)，制備得到具有核殼、中空和多孔結(jié)構(gòu)的納米纖維，還可以通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)輕松擴(kuò)展到三維。從材料上講，聚合物、碳、陶瓷、金屬及它們的復(fù)合物都可以制備成一維納米纖維結(jié)構(gòu)。在機(jī)械方面，大多數(shù)納米纖維材料具有出色的柔韌性，可以在外力作用下承受大范圍的彎曲變形。

圖 1. 綜述內(nèi)容概括。

  基于納米纖維材料的優(yōu)勢(shì)和目前的研究動(dòng)態(tài)，這篇論文首先概述了鋰金屬負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。然后，從人工保護(hù)層、三維框架、隔膜和固態(tài)電解質(zhì)等方面系統(tǒng)的總結(jié)了納米纖維材料在鋰金屬電池中應(yīng)用的最新進(jìn)展和工作機(jī)理。最后，論文對(duì)用于鋰金屬電池保護(hù)的納米纖維材料的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。這篇綜述建立了納米纖維材料與鋰金屬電池改性之間的密切聯(lián)系，為高安全性鋰金屬電池的發(fā)展提供了新的思路。

  論文最后提出盡管通過(guò)納米纖維材料在穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極領(lǐng)域取得了重大成就，但在材料制備、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、機(jī)理研究和推進(jìn)鋰陽(yáng)極實(shí)用化進(jìn)程等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)和發(fā)展的空間。這一綜述有望激勵(lì)更多的工作來(lái)推進(jìn)納米纖維材料在高性能鋰金屬電池系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展。

  論文第一作者為東華大學(xué)紡織學(xué)院博士生趙云，通訊作者為東華大學(xué)閆建華教授和丁彬教授。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金、上海市青年科技啟明星項(xiàng)目和東華大學(xué)中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金的支持。

  論文信息：

  Advances in Nanofibrous Materials for Stable Lithium-Metal Anodes

  Yun Zhao, Jianhua Yan*, Jianyong Yu, and Bin Ding*

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09037