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  鋰金屬因其高比容量和低電極電位被認為是提高電池能量密度的最具潛力的負極材料。然而，鋰金屬負極的實際應用仍然面臨著枝晶生長不可控、體積無限膨脹等嚴峻的挑戰(zhàn)。近日，東華大學丁彬教授/閆建華教授團隊在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，納米材料的發(fā)展為金屬鋰電池的復興帶來了新的機遇。各種納米結構材料因其獨特的納米尺寸效應和物化特性使金屬鋰負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、超晶格等)和三維納米結構材料。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)生團聚形成粒徑較大的聚集體以達到穩(wěn)定狀態(tài)，使納米顆粒難以發(fā)揮其獨特作用。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特的優(yōu)勢，展現(xiàn)了在鋰金屬負極保護領域的巨大潛力。從結構上講，一維納米纖維具有高比表面積，結構可調性強，可以通過控制納米纖維的二級結構，制備得到具有核殼、中空和多孔結構的納米纖維，還可以通過適當的結構化設計輕松擴展到三維。從材料上講，聚合物、碳、陶瓷、金屬及它們的復合物都可以制備成一維納米纖維結構。在機械方面，大多數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. 綜述內容概括。

  基于納米纖維材料的優(yōu)勢和目前的研究動態(tài)，這篇論文首先概述了鋰金屬負極在實際應用中面臨的挑戰(zhàn)。然后，從人工保護層、三維框架、隔膜和固態(tài)電解質等方面系統(tǒng)的總結了納米纖維材料在鋰金屬電池中應用的最新進展和工作機理。最后，論文對用于鋰金屬電池保護的納米纖維材料的未來發(fā)展進行了總結和展望。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納米纖維材料在穩(wěn)定鋰金屬負極領域取得了重大成就，但在材料制備、結構優(yōu)化、機理研究和推進鋰陽極實用化進程等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)和發(fā)展的空間。這一綜述有望激勵更多的工作來推進納米纖維材料在高性能鋰金屬電池系統(tǒng)中的應用發(fā)展。

  論文第一作者為東華大學紡織學院博士生趙云，通訊作者為東華大學閆建華教授和丁彬教授。這項工作得到了國家自然科學基金委優(yōu)秀青年科學基金、上海市青年科技啟明星項目和東華大學中央高校基本科研業(yè)務費專項資金的支持。

  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