中國儲能網(wǎng)訊：電化學儲能具有高能量密度，高功率密度和長循環(huán)穩(wěn)定性等特點，故其成為了目前廣泛研究的儲能形式。為了獲得更高性能的電化學儲能器件，研究者對各種納米材料進行了研究和探索。其中，納米線電極材料因為其具有的獨特幾何結(jié)構，縮短離子傳輸路徑和抑制電極材料體積膨脹等方面發(fā)揮了重要作用。研究和應用高性能納米線電極材料成為了電化學儲能器件領域的研究熱點之一。近年來，納米線在儲能方面的應用潛力得到了探索，其獨特的優(yōu)點和可控的性質(zhì)可以滿足快速發(fā)展的儲能器件對電極材料的需求。納米線電極材料的主要優(yōu)點可以歸納為以下幾點：1)納米線為電子轉(zhuǎn)移提供直接的路徑。2)納米線材料可以提供更大的表面積，這導致了更大的電極與電解質(zhì)接觸面積和縮短的充電/放電時間。3)納米線可以適應體積膨脹，抑制機械降解并延長循環(huán)壽命。4)納米線具有優(yōu)異的機械柔韌性和楊氏模量，這對于柔性電子元件的制造具有重要意義。最近，武漢理工大學的麥立強教授和徐林教授結(jié)合課題組多年來在納米線電極材料領域的研究，系統(tǒng)地分類和總結(jié)了納米線材料的結(jié)構特點和相應的合成策略，并且對納米線材料在電化學儲能器件中應用和發(fā)展進行了闡述。最后，作者在總結(jié)歸納的基礎上客觀地提出了納米線電極材料的發(fā)展方向。該文章應邀發(fā)表在國際頂級期刊Advanced Energy Materials上（影響因子：21.875）。該課題組的學生喻科菘和潘雪雷為文章的共同一作。
在相關綜述中，以材料的化學成分進行分類歸納是常見的方式，而本文的一個亮點就是以納米線的形貌結(jié)構及組合方式分類，著重體現(xiàn)了不同的合成方法導致結(jié)構的差異，不同的結(jié)構特點進而對其電化學性能產(chǎn)生影響。在第二部分中，文章對納米線的結(jié)構和相應的合成方法進行了闡述。作者將納米線單體分為簡單納米線、核殼/包覆的納米線、分級/異質(zhì)結(jié)構納米線、多孔/介孔納米線和中空納米線（納米管）。根據(jù)納米線單體的不同組合方式，又可分為納米線陣列、納米線網(wǎng)絡和納米線束，文章中利用示意圖和表格進行了歸納總結(jié)。第三部分，文章則對納米線在不同電化學儲能器件中的應用進行了介紹，有關鋰離子電池、鈉離子電池、鋅離子電池和超級電容器的一些經(jīng)典工作被重點闡述。更好地發(fā)揮納米線的優(yōu)點，使用各種手段進行改性和優(yōu)化，是研究者們設計實驗的思路和方向。
【內(nèi)容簡介】
Figure 1. 納米線的不同形態(tài)和結(jié)構。a-e) 示意圖，f-j) SEM或TEM圖像。f) NVO納米線g)Co3O4/PEDOT–MnO2核殼納米線c,h) MnMoO4/CoMoO4分級異質(zhì)結(jié)構納米線。i) NiO/CoN多孔納米線 j) SnO2介孔納米管。
Figure 2. 不同的納米線組合形式。a-c) 為示意圖，d-f) 為SEM或TEM圖像。a,d) FeCo2O4納米線陣列。b,e) K0.7Fe0.5Mn0.5O2納米線網(wǎng)絡。c,f) 類海星Co3O4納米線束。
Figure 3. 鎢箔上的核殼納米線工藝和結(jié)構表征。a) 在鎢箔上制備h-WO3/WS2核殼納米線的方法的示意圖。b)核殼納米線超級電容器的單體陣列和納米線的ADF-STEM圖像的示意圖。c) 在機械彎曲下在鎢箔上制備的核殼納米線的光學圖像（左）。相應的SEM圖像（右圖）顯示了高密度，有序排列的納米線以及它們的側(cè)面（插圖）。插圖中的比例尺為500 nm。
Figure 4. 多孔納米線復合材料的示意圖，具有快速Li+擴散，有效電子傳輸和Li+脫出/嵌入中優(yōu)異的應力釋放。
Figure 5. 梯度靜電紡絲和受控熱解方法的示意圖。a) 中孔納米管的制備方法。(1)在靜電紡絲過程之后，低分子量，中分子量和高分子量PVA傾向于在復合納米線的徑向方向上分布成三層。(2) 隨著溫度的緩慢升高，內(nèi)部低重量PVA首先熱解并向低/中量PVA的邊界移動，攜帶無機材料。然后，中等重量的PVA也熱解并向高重量PVA移動。(3) 所有初步熱解的PVA和無機材料在管壁中匯合在一起。(4) 在空氣中燒結(jié)后，得到所有PVA熱解和均勻的中孔納米管，它們由微小的無機納米粒子組成。另一方面，在氬氣下高溫燒結(jié)后，PVA碳化，得到均勻的中孔納米管，由無機納米粒子和碳納米管組成。中孔由無機材料和PVA聚合物的一部分分解產(chǎn)生。b) 豌豆狀納米管的制備方法。(1) 在靜電紡絲過程之后，將復合納米線直接并立即放入空氣中的爐子中，將其預熱并保持在300 ℃。(2,3) 所有PVA同時分解并快速移向外部高重量PVA層而不攜帶無機材料，將它們留在中心。(4) 在氬氣下高溫燒結(jié)后，外部PVA碳化，內(nèi)部無機材料發(fā)展成納米顆粒，形成豌豆狀納米管。
Figure 6. K3V2(PO4)3/C成束納米線的示意圖，具有穩(wěn)定的骨架，快速Na+擴散和高電子傳導性。
Figure 7. a) 在將石墨烯片包裹到納米線上以形成GS（石墨烯卷軸）期間的每碳能量的變化（插圖是所形成的GS的一系列模擬構型）。b) VGS的TEM圖像（插圖給出了GS中V3O7納米線的HRTEM圖像）。c) 在4和1.5 V之間測試的2000 mA/g的VGS（紅線），VG（V3O7納米線/石墨烯）（黑線）和PV（純V3O7納米線）（藍線）的恒電流放電曲線. d) VGS和PV的單納米線傳輸特性（插圖是VGS單納米線器件的SEM圖像）。
Figure 8. a) 大堿金屬離子嵌入的示意圖。b) A-V-O納米線的循環(huán)性能。
Figure 9. 將PPyNWμSCs轉(zhuǎn)移至目標基板的過程的示意圖。b) 紡織品上的PPyNWμSC的數(shù)碼照片，并且被填滿，c) 在紙上并被卷起，和d) 在塑料帶上并附著在小瓶上。e) PPyNWμSC在平坦狀態(tài)下和填充后的紡織品的CV曲線，f)在平坦狀態(tài)下卷起的紙上的PPyNWμSC，和g)在平坦狀態(tài)下的塑料帶上的PPyNWμSC在小瓶上（所有CV曲線在60 mV/s的掃描速率下記錄）。
Figure 10. 通過a) 預先設計的策略和b)可編輯策略，可伸縮超級電容器組裝過程的原理圖。預先設計的策略(a)只能應用不可改變的結(jié)構，并且需要三個步驟來制備可拉伸的超級電容器：I)將電極預先設計成可拉伸的結(jié)構（例如，上部：波狀結(jié)構，左下部：類似彈簧的纖維結(jié)構，右下方：蛇形橋接結(jié)構)，II)用凝膠電解質(zhì)涂覆結(jié)構化電極，和III)重疊結(jié)構化電極，用于組裝具有預先設計的拉伸性的可拉伸超級電容器。預先設計的電極和基板/凝膠電解質(zhì)結(jié)構之間的不匹配可能導致在界面處的嚴重應力集中，所述界面引發(fā)微裂紋并促進拉伸期間的裂縫傳播。雖然可編輯策略（b)只需要將超級電容器切割成理想的形狀和結(jié)構，但可定制的結(jié)構，如蜂窩狀結(jié)構，金字塔彈出結(jié)構，活動鉸鏈結(jié)構等，使得準備就緒超級電容器可以任意方向伸展。紅色箭頭表示具有可定制結(jié)構的準備好的超級電容器的可拉伸方向。c) 超級電容器結(jié)構的示意圖（側(cè)視圖）。d) 基于MNW70-NCF薄膜電極在不同掃描速率下的柔性超級電容器的恒電流充電-放電和e) 循環(huán)伏安曲線(CV)曲線。
Figure 11. a) 原位TEM的實驗裝置的示意圖。b) 單根納米線電極器件設計的示意圖。單根氧化釩納米線或Si納米線是工作電極，HOPG或LiCoO2納米膜是反電極。電解質(zhì)是PEO-LiClO4-PC-EC聚合物。
Figure12. 未來用于電化學能量存儲器件的先進納米線的發(fā)展方向的示意圖。
【結(jié)論與展望】
這篇綜述系統(tǒng)地討論了電化學儲能裝置中的納米線電極材料。納米線根據(jù)不同的結(jié)構和組合分類，包括簡單納米線，核殼/包覆結(jié)構納米線，分層/異質(zhì)結(jié)構納米線，多孔/中孔納米線，中空納米線和納米線陣列，納米線網(wǎng)絡和納米線束。納米線的各種形態(tài)已經(jīng)在電化學能量存儲裝置中顯示出巨大的應用潛力?；诖?，介紹了不同納米線在鋰離子，鈉離子，鋅離子電池和超級電容器系統(tǒng)中的應用。并且納米線電極的原位表征被認為是探究儲能機制和原位診斷的重要策略。此外，盡管在一維納米結(jié)構的構建方面已經(jīng)取得了一些進展，但尚未達到將這些材料優(yōu)化為可商業(yè)化的成熟產(chǎn)品的標準，并且存在進一步提高的機會。如何通過實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)進行小規(guī)模試驗仍然具有挑戰(zhàn)性。需要改進的材料加工，更好的設備和更有效的制造方法。
Kesong Yu, Xuelei Pan, Guobin Zhang, Xiaobin Liao,Xunbiao Zhou, Mengyu Yan, Lin Xu,* and Liqiang Mai*, Nanowires in Energy Storage Devices: Structures, Synthesis, and Applications, Adv. Energy Mater., 2018, DOI:10.1002/aenm.201802369
作者介紹
徐林，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室教授，入選湖北省“青年百人”計劃。2013年，獲得武漢理工大學材料物理與化學博士學位（師從麥立強教授、張清杰院士和Charles M. Lieber院士），2011-2013年在美國哈佛大學作為聯(lián)合培養(yǎng)博士。博士畢業(yè)以后，先后在美國哈佛大學（2013-2016年）和新加坡南洋理工大學（2016-2017年）從事博士后研究。主要從事納米能源材料和納米生物傳感器研究，在Nature Nanotech., Nature Commun., Chem, Joule, PNAS, Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Nano Lett.等國際知名期刊發(fā)表學術論文40余篇，論文被引用3500余次，7篇論文入選ESI 高被引論文。在分級納米結(jié)構電化學儲能材料方面的研究成果作為重要組成部分獲得2014年湖北省自然科學一等獎。
麥立強，武漢理工大學材料學科首席教授，博士生導師，武漢理工大學材料科學與工程國際化示范學院國際事務院長，教育部“長江學者特聘教授”(2016年度)，國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項總體專家組成員。2004年在武漢理工大學獲工學博士學位，隨后在中國科學院外籍院士美國佐治亞理工學院王中林教授課題組、美國科學院院士哈佛大學Charles M. Lieber教授課題組、美國加州大學伯克利分校楊培東教授課題組從事博士后、高級研究學者研究。長期從事納米能源材料與器件研究，麥立強發(fā)表SCI論文290余篇，包括Nature及其子刊11篇，Chem. Rev. 1 篇，Adv. Mater. 14篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇，Angew. Chem. Int. Ed. 2篇，PNAS 2篇，Nano Lett. 25篇，Joule 2篇，Chem.1篇，Acc. Chem. Res. 1篇，Energy Environ. Sci. 1篇，以第一或通訊作者在影響因子10.0以上的期刊發(fā)表論文90余篇。主持國家杰出青年科學基金、國家重大科學研究計劃課題，國家國際科技合作專項、國家自然科學基金重點項目等30余項科研項目。獲中國青年科技獎、光華工程科技獎（青年獎）、湖北省自然科學一等獎、侯德榜化工科學技術獎（青年獎）、EEST2018 Research Excellence Awards、Nanoscience Research Leader獎、入選國家“百千萬人才工程計劃”、科技部中青年科技創(chuàng)新領軍人才計劃，教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，享受國務院政府特殊津貼。現(xiàn)任Adv. Mater.客座編輯，Acc. Chem. Res.、Joule、Adv. Electron. Mater.國際編委，Nano Res.編委。
