东华大学丁彬教授/闫建华教授团队 ACS Nano：用于稳定锂金属负极的纳米纤维材料
锂金属因其高比容量和低电极电位被认为是提高电池能量密度的最具潜力的负极材料。然而，锂金属负极的实际应用仍然面临着枝晶生长不可控、体积无限膨胀等严峻的挑战。近日，东华大学丁彬教授/闫建华教授团队在ACS Nano上发表了题为“Advances in Nanofibrous Materials for Stable Lithium-Metal Anodes”的综述文章。
近年来，纳米材料的发展为金属锂电池的复兴带来了新的机遇。各种纳米结构材料因其独特的纳米尺寸效应和物化特性使金属锂负极的性能得到了巨大的提升。纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料(如纳米线、棒、管和纤维等)、二维纳米材料(如纳米片、纳米盘、超晶格等)和三维纳米结构材料。众所周知，零维纳米颗粒材料的表面积大，表面能高，处于能量不稳定状态，极易发生团聚形成粒径较大的聚集体以达到稳定状态，使纳米颗粒难以发挥其独特作用。此外，二维纳米材料的制备存在速度慢、良率低、可控性差等问题，传统自下而上的方法难以合成大面积规整二维纳米材料。相比之下，具有高纵横比的纳米纤维材料因其独特的优势，展现了在锂金属负极保护领域的巨大潜力。从结构上讲，一维纳米纤维具有高比表面积，结构可调性强，可以通过控制纳米纤维的二级结构，制备得到具有核壳、中空和多孔结构的纳米纤维，还可以通过适当的结构化设计轻松扩展到三维。从材料上讲，聚合物、碳、陶瓷、金属及它们的复合物都可以制备成一维纳米纤维结构。在机械方面，大多数纳米纤维材料具有出色的柔韧性，可以在外力作用下承受大范围的弯曲变形。
图 1. 综述内容概括。
基于纳米纤维材料的优势和目前的研究动态，这篇论文首先概述了锂金属负极在实际应用中面临的挑战。然后，从人工保护层、三维框架、隔膜和固态电解质等方面系统的总结了纳米纤维材料在锂金属电池中应用的最新进展和工作机理。最后，论文对用于锂金属电池保护的纳米纤维材料的未来发展进行了总结和展望。这篇综述建立了纳米纤维材料与锂金属电池改性之间的密切联系，为高安全性锂金属电池的发展提供了新的思路。
论文最后提出尽管通过纳米纤维材料在稳定锂金属负极领域取得了重大成就，但在材料制备、结构优化、机理研究和推进锂阳极实用化进程等方面仍存在诸多挑战和发展的空间。这一综述有望激励更多的工作来推进纳米纤维材料在高性能锂金属电池系统中的应用发展。
论文第一作者为东华大学纺织学院博士生赵云，通讯作者为东华大学闫建华教授和丁彬教授。这项工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金、上海市青年科技启明星项目和东华大学中央高校基本科研业务费专项资金的支持。
论文信息：
Advances in Nanofibrous Materials for Stable Lithium-Metal Anodes
Yun Zhao, Jianhua Yan*, Jianyong Yu, and Bin Ding*
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09037
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