鋰離子電池 新加坡科技研究局Jackie Y.Ying 等討論了納米材料的形態(tài)控制原理，并分析了形態(tài)控制對(duì)不同可充鋰電池化學(xué)性能的影響，強(qiáng)調(diào)了不同形態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)、納米材料電池的挑戰(zhàn)及其商業(yè)化潛力。最后，總結(jié)了使用形態(tài)受控的納米材料進(jìn)一步推進(jìn)可充鋰電池領(lǐng)域的有前景策略。納米結(jié)構(gòu)處理對(duì)新型和改善型可充鋰電池的開發(fā)產(chǎn)生了難以置信的影響。納米材料的尺寸減小可以縮短鋰離子的擴(kuò)散路徑，這有利于快速動(dòng)力學(xué)和高充放電速率。此外，由于尺寸的原因，納米材料特別適合在鋰化/脫鋰過程中調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)變化，從而防止材料粉碎。 另外，納米材料的大比表面積在增加電池中的界面法拉第反應(yīng)和穿過電極-電解液界面的鋰離子通量方面起著主要作用，從而提高容量。此外，大多數(shù)納米材料中易于控制的結(jié)晶度為電子傳輸提供了穩(wěn)定的通道，并使納米材料能夠承受循環(huán)應(yīng)變，從而提高了電池的穩(wěn)定性。
圖1. 控制0D、1D、2D和3D納米材料形態(tài)的代表性方法 在過去的30年里，研究人員設(shè)計(jì)并合成了無數(shù)用于各種應(yīng)用的單分散納米材料。零維（0D）納米材料，也稱為納米顆粒，其所有尺寸都在納米尺度內(nèi)。一維（1D）納米材料，例如納米棒、納米管和納米線，存在一維超越了納米尺度。二維（2D）納米材料，如石墨烯、納米薄膜、納米層和納米涂層，存在二維超越了納米尺度，由板狀形貌組成。 最后，三維（3D）納米材料是包含納米結(jié)構(gòu)特征/架構(gòu)的微結(jié)構(gòu)；包括中空微/納米結(jié)構(gòu)、納米顆粒組件、納米線束、多納米層和金屬有機(jī)框架（MOF）。0D納米材料已被廣泛應(yīng)用于改善材料性能。然而，隨著儲(chǔ)能領(lǐng)域的快速發(fā)展，為進(jìn)一步提高性能或滿足特定需求，人們開發(fā)了更復(fù)雜的形貌。 目前，各種各樣的0D、1D、2D、3D和雜化納米結(jié)構(gòu)被用于不同的鋰電池化學(xué)中。它們?cè)阡囯姵刂械淖饔靡呀?jīng)超出了直接儲(chǔ)鋰，還包括催化電化學(xué)反應(yīng)和捕獲反應(yīng)中間體。形態(tài)控制是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，用于賦予納米材料以顯著的通用性，以適應(yīng)不同的鋰電池系統(tǒng)。 圖2. 2D納米材料在可充鋰電池中的應(yīng)用
但是，無論納米材料的形狀如何，高電解液/電極表面積都可能導(dǎo)致循環(huán)過程中的寄生反應(yīng)，從而限制電池的壽命。另一方面，某些納米材料的低振實(shí)密度可能會(huì)降低體積能量密度。此外，可充鋰電池納米材料的商業(yè)化尚未達(dá)到預(yù)期，主要是由于（i）它們的合成復(fù)雜且成本高，尤其是在1D、2D和3D納米結(jié)構(gòu)的情況下，以及（ii）它們無法保持高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
圖3. 3D納米材料在可充鋰電池中的應(yīng)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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