背景介绍

纳米材料与传统电池和超级电容器材料相比可以提供更快的离子传输和导电性能。使用纳米材料制备的电极可以承受更高的电流，因此在高能量和高功率储能领域有广泛应用前景。纳米材料经过数十年的发展，形成了化学组成多样，形态丰富的纳米材料家族，从氧化物到锂合金，从零维的量子点到三维的多孔纳米网络，如此丰富的纳米材料家族成员有希望给未来储能提供传统材料无法实现的解决方案。

纳米材料在储能领域已经有了许多成功应用：表面基离子吸附、赝电容、扩散控制的插层过程，氧化还原活性的过渡金属碳化物（MXenes）的导电性至少超过传统电极材料1个数量级，这为无集流体电池结构设计以及下一代高储能设备的研究开启了一扇大门。

图1纳米材料在储能领域中的应用。

纳米材料在应用到储能领域时也存在一些挑战，主要是由于纳米材料巨大的比表面积带来的电极表面副反应，如首次循环中的不可逆效应。设计可控的、更“聪明”的纳米材料结构、开发具有互补功能的纳米材料是可行的解决策略，对现有材料制造方法进行改进以适应纳米材料的特点，以及开发新型的制造方法对于纳米材料基的储能设备制造具有重要意义。

成果介绍

近日，二维导电碳材料MXene的发明人Yury Gogotsi院士、Ekaterina Pomerantseva副教授、意大利理工学院Francesco Bonaccorso、德累斯顿工业大学冯新亮院士、斯坦福大学崔屹教授等总结了纳米材料在储能领域应用的最新进展，并对纳米材料在该领域的未来应用进行了展望。作者首先介绍了各种化学组成和结构的纳米材料家族，然后介绍了纳米材料在储能领域应用的基本原理，以及如何克服纳米材料在应用过程中副反应的策略，在此基础上总结了纳米材料在储能领域近期的研究进展，包括锂离子电池、快离子和电子导体等，最后作者对纳米材料储能设备制造方法的最新进展进行了总结。该综述从纳米材料类型出发，涵盖了纳米材料应用于储能领域的基础理论、最新进展、制造方法以及未来研究方向，为纳米材料在储能领域的应用提供了很好的思路。

图文速递

图2.不同结构和类型的纳米材料。

纳米材料结构多样，从零维到结构都有众多“成员”。由于储量丰富，密度低，导电能力强，碳家族纳米材料在储能中的应用最为广泛，除此以外还有过渡金属氧化物、锂金属合金、高度结晶的导电材料MXenes等。

图3.纳米材料在储能领域应用的基本过程与原理。（A）离子传输；（B）电子传输；（C）SEI膜的形成以及电极和电解液之间的副反应；（D）在三维结构中的传输行为。

在纳米材料中，控制电化学性能的基本过程与非纳米材料有所不同：在纳米尺度下离子传输往往在受限空间或者电极表面进行；两种不同纳米材料进行杂化后，在新产生的表面往往会产生令人意想不到的现象；纳米材料巨大的表面积，有利于物质的接触反应和形成SEI膜，但是也会造成显著的首次循环不可逆容量以及副反应的发生，电极与电解液表面发生的反应也是需要深入研究的领域；在纳米和微米尺度上组装成三维结构的电极可以显著提高离子和电子传输性能。

图4.如何克服纳米材料在储能领域应用中的不利效应。（A）在电极表面制备纳米尺度的表面层可以克服大的体积变化带来的结构不稳定性以及颗粒聚集造成的比表面积下降；（B）通过嵌段共聚物自组装使得制备三维纳米结构电极成为可能。

为了解决纳米材料在应用过程中出现的“水土不服”，研究者采取了许多策略以克服种种不利影响：将纳米材料组装成微米结构，如类石榴石硅负极和浓度梯度的三元正极材料；制备包含正极、负极和电解液的三维结构电池可以尽量缩短离子和电子传输距离。

图5.在锂离子电池中纳米结构对电化学性能的影响。（A）颗粒尺寸对硅负极锂化过程影响的示意图；（B）颗粒尺寸对钴酸锂正极材料电池恒电流放电曲线的影响。

纳米材料与传统材料相比，可以利用纳米材料独特的微晶态。把硅负极颗粒尺寸降到150 nm以下可以有效抑制负极材料体积膨胀造成的结构破坏，也有研究发现利用纳米管、纳米片、纳米中空球、核壳结构也可以实现这一目的。把众多正极材料，如磷酸铁锂和钴酸锂的粒径控制在纳米尺度后，能量储存机理发生了改变，材料表面的氧化还原反应成为主导，电池放电行为表现出类似超级电容器的直线特征。

图6.电子和离子在纳米材料中的快速传输。（A）调节RuO2·nH2O水合程度可以调节材料导电性和质子传输性示意图，以及扫描速率在2~500 mV·s-1的循环电压数据；（B）M3C2MXene典型结构示意图，90 nm厚的Ti3C2Tx膜在10~100000 mV·s-1的循环电压数据，由于过渡金属碳化物层的存在，Ti3C2Tx拥有优异的导电性，插层水分子的存在使得质子可以进入具有氧化还原活性的类TiO2表面层；（C）用四氧化三铁修饰石墨烯复合材料示意图，商业四氧化三铁电极、未掺杂石墨烯的四氧化三铁电极以及四氧化三铁修饰石墨烯复合材料电极在35 ~1750 mA·g−1电流密度下的倍率性能曲线；（D）MoS2和氮掺杂石墨烯交替结构材料示意图，锂硫电池在0.1~5 A·g−1电流密度下的倍率性能曲线。

低维纳米材料往往表现出很高的离子和电子传输特性，如RuO2的类电容器行为，而且其结合水也是影响电化学性能的重要因素。在MXenes表面的过渡金属原子可以参与氧化还原反应，而且具有完全电化学可逆性，表现出双层电容充电机理。在各种纳米碳材料上复合氧化物颗粒，这种独特的结构使得材料具有很高的离子和电子传输性能，这个时候纳米碳材料不仅是电子的传输通道，也形成了碳材料与氧化物的连接点，这种材料表现出高容量也就不足为奇了。通过将具有高导电性能和高能量密度的二维纳米结构材料组合在一起，也是制备高离子和电子传输性能材料不错的方法。

图7.用不同的方法可以使用纳米材料制造下一代储能系统。

将纳米材料制备成具有不同功能的储能器件需要研究新型加工方法，如喷涂、3D打印、滚压、电沉积、层层沉积、真空过滤等，只有研究出方便、低成本的将纳米材料组装成器件的加工方法，才能真正发挥纳米材料在储能方面的优势，真正助力储能领域的发展。

全文链接：https://science.sciencemag.org/content/366/6468/eaan8285