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鋰離子電池是目前占主導地位的儲能技術，在過去30年取得了很大進展，未來幾年前景廣闊。納米科學為可充鋰電池的研究開辟了新的可能性，提高了材料的性能，并促成了新的化學研究。形態控制是豐富的納米技術的關鍵，它對設計用于可充鋰電池的納米材料的性能具有重大影響。

新加坡科技研究局Jackie Y.Ying等討論了納米材料的形態控制原理，并分析了形態控制對不同可充鋰電池化學性能的影響，強調了不同形態的優缺點、納米材料電池的挑戰及其商業化潛力。最后，總結了使用形態受控的納米材料進一步推進可充鋰電池領域的有前景策略。

納米結構處理對新型和改善型可充鋰電池的開發產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散路徑，這有利于快速動力學和高充放電速率。此外，由于尺寸的原因，納米材料特別適合在鋰化/脫鋰過程中調節結構變化，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，大多數納米材料中易于控制的結晶度為電子傳輸提供了穩定的通道，并使納米材料能夠承受循環應變，從而提高了電池的穩定性。

Nano Energy：可充鋰電池用納米材料形態控制的進展與展望

圖1. 控制0D、1D、2D和3D納米材料形態的代表性方法

在過去的30年里，研究人員設計并合成了無數用于各種應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。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構特征/架構的微結構；包括中空微/納米結構、納米顆粒組件、納米線束、多納米層和金屬有機框架（MOF）。0D納米材料已被廣泛應用于改善材料性能。然而，隨著儲能領域的快速發展，為進一步提高性能或滿足特定需求，人們開發了更復雜的形貌。

目前，各種各樣的0D、1D、2D、3D和雜化納米結構被用于不同的鋰電池化學中。它們在鋰電池中的作用已經超出了直接儲鋰，還包括催化電化學反應和捕獲反應中間體。形態控制是一個關鍵參數，用于賦予納米材料以顯著的通用性，以適應不同的鋰電池系統。

圖2. 2D納米材料在可充鋰電池中的應用

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致循環過程中的寄生反應，從而限制電池的壽命。另一方面，某些納米材料的低振實密度可能會降低體積能量密度。此外，可充鋰電池納米材料的商業化尚未達到預期，主要是由于（i）它們的合成復雜且成本高，尤其是在1D、2D和3D納米結構的情況下，以及（ii）它們無法保持高性能工業標準。

Nano Energy：可充鋰電池用納米材料形態控制的進展與展望

圖3. 3D納米材料在可充鋰電池中的應用

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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