中国储能网讯：电化学储能具有高能量密度，高功率密度和长循环稳定性等特点，故其成为了目前广泛研究的储能形式。为了获得更高性能的电化学储能器件，研究者对各种纳米材料进行了研究和探索。其中，纳米线电极材料因为其具有的独特几何结构，缩短离子传输路径和抑制电极材料体积膨胀等方面发挥了重要作用。研究和应用高性能纳米线电极材料成为了电化学储能器件领域的研究热点之一。近年来，纳米线在储能方面的应用潜力得到了探索，其独特的优点和可控的性质可以满足快速发展的储能器件对电极材料的需求。纳米线电极材料的主要优点可以归纳为以下几点：1)纳米线为电子转移提供直接的路径。2)纳米线材料可以提供更大的表面积，这导致了更大的电极与电解质接触面积和缩短的充电/放电时间。3)纳米线可以适应体积膨胀，抑制机械降解并延长循环寿命。4)纳米线具有优异的机械柔韧性和杨氏模量，这对于柔性电子元件的制造具有重要意义。最近，武汉理工大学的麦立强教授和徐林教授结合课题组多年来在纳米线电极材料领域的研究，系统地分类和总结了纳米线材料的结构特点和相应的合成策略，并且对纳米线材料在电化学储能器件中应用和发展进行了阐述。最后，作者在总结归纳的基础上客观地提出了纳米线电极材料的发展方向。该文章应邀发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上（影响因子：21.875）。该课题组的学生喻科菘和潘雪雷为文章的共同一作。
在相关综述中，以材料的化学成分进行分类归纳是常见的方式，而本文的一个亮点就是以纳米线的形貌结构及组合方式分类，着重体现了不同的合成方法导致结构的差异，不同的结构特点进而对其电化学性能产生影响。在第二部分中，文章对纳米线的结构和相应的合成方法进行了阐述。作者将纳米线单体分为简单纳米线、核壳/包覆的纳米线、分级/异质结构纳米线、多孔/介孔纳米线和中空纳米线（纳米管）。根据纳米线单体的不同组合方式，又可分为纳米线阵列、纳米线网络和纳米线束，文章中利用示意图和表格进行了归纳总结。第三部分，文章则对纳米线在不同电化学储能器件中的应用进行了介绍，有关锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池和超级电容器的一些经典工作被重点阐述。更好地发挥纳米线的优点，使用各种手段进行改性和优化，是研究者们设计实验的思路和方向。
【内容简介】
Figure 1. 纳米线的不同形态和结构。a-e) 示意图，f-j) SEM或TEM图像。f) NVO纳米线g)Co3O4/PEDOT–MnO2核壳纳米线c,h) MnMoO4/CoMoO4分级异质结构纳米线。i) NiO/CoN多孔纳米线 j) SnO2介孔纳米管。
Figure 2. 不同的纳米线组合形式。a-c) 为示意图，d-f) 为SEM或TEM图像。a,d) FeCo2O4纳米线阵列。b,e) K0.7Fe0.5Mn0.5O2纳米线网络。c,f) 类海星Co3O4纳米线束。
Figure 3. 钨箔上的核壳纳米线工艺和结构表征。a) 在钨箔上制备h-WO3/WS2核壳纳米线的方法的示意图。b)核壳纳米线超级电容器的单体阵列和纳米线的ADF-STEM图像的示意图。c) 在机械弯曲下在钨箔上制备的核壳纳米线的光学图像（左）。相应的SEM图像（右图）显示了高密度，有序排列的纳米线以及它们的侧面（插图）。插图中的比例尺为500 nm。
Figure 4. 多孔纳米线复合材料的示意图，具有快速Li+扩散，有效电子传输和Li+脱出/嵌入中优异的应力释放。
Figure 5. 梯度静电纺丝和受控热解方法的示意图。a) 中孔纳米管的制备方法。(1)在静电纺丝过程之后，低分子量，中分子量和高分子量PVA倾向于在复合纳米线的径向方向上分布成三层。(2) 随着温度的缓慢升高，内部低重量PVA首先热解并向低/中量PVA的边界移动，携带无机材料。然后，中等重量的PVA也热解并向高重量PVA移动。(3) 所有初步热解的PVA和无机材料在管壁中汇合在一起。(4) 在空气中烧结后，得到所有PVA热解和均匀的中孔纳米管，它们由微小的无机纳米粒子组成。另一方面，在氩气下高温烧结后，PVA碳化，得到均匀的中孔纳米管，由无机纳米粒子和碳纳米管组成。中孔由无机材料和PVA聚合物的一部分分解产生。b) 豌豆状纳米管的制备方法。(1) 在静电纺丝过程之后，将复合纳米线直接并立即放入空气中的炉子中，将其预热并保持在300 ℃。(2,3) 所有PVA同时分解并快速移向外部高重量PVA层而不携带无机材料，将它们留在中心。(4) 在氩气下高温烧结后，外部PVA碳化，内部无机材料发展成纳米颗粒，形成豌豆状纳米管。
Figure 6. K3V2(PO4)3/C成束纳米线的示意图，具有稳定的骨架，快速Na+扩散和高电子传导性。
Figure 7. a) 在将石墨烯片包裹到纳米线上以形成GS（石墨烯卷轴）期间的每碳能量的变化（插图是所形成的GS的一系列模拟构型）。b) VGS的TEM图像（插图给出了GS中V3O7纳米线的HRTEM图像）。c) 在4和1.5 V之间测试的2000 mA/g的VGS（红线），VG（V3O7纳米线/石墨烯）（黑线）和PV（纯V3O7纳米线）（蓝线）的恒电流放电曲线. d) VGS和PV的单纳米线传输特性（插图是VGS单纳米线器件的SEM图像）。
Figure 8. a) 大碱金属离子嵌入的示意图。b) A-V-O纳米线的循环性能。
Figure 9. 将PPyNWμSCs转移至目标基板的过程的示意图。b) 纺织品上的PPyNWμSC的数码照片，并且被填满，c) 在纸上并被卷起，和d) 在塑料带上并附着在小瓶上。e) PPyNWμSC在平坦状态下和填充后的纺织品的CV曲线，f)在平坦状态下卷起的纸上的PPyNWμSC，和g)在平坦状态下的塑料带上的PPyNWμSC在小瓶上（所有CV曲线在60 mV/s的扫描速率下记录）。
Figure 10. 通过a) 预先设计的策略和b)可编辑策略，可伸缩超级电容器组装过程的原理图。预先设计的策略(a)只能应用不可改变的结构，并且需要三个步骤来制备可拉伸的超级电容器：I)将电极预先设计成可拉伸的结构（例如，上部：波状结构，左下部：类似弹簧的纤维结构，右下方：蛇形桥接结构)，II)用凝胶电解质涂覆结构化电极，和III)重叠结构化电极，用于组装具有预先设计的拉伸性的可拉伸超级电容器。预先设计的电极和基板/凝胶电解质结构之间的不匹配可能导致在界面处的严重应力集中，所述界面引发微裂纹并促进拉伸期间的裂缝传播。虽然可编辑策略（b)只需要将超级电容器切割成理想的形状和结构，但可定制的结构，如蜂窝状结构，金字塔弹出结构，活动铰链结构等，使得准备就绪超级电容器可以任意方向伸展。红色箭头表示具有可定制结构的准备好的超级电容器的可拉伸方向。c) 超级电容器结构的示意图（侧视图）。d) 基于MNW70-NCF薄膜电极在不同扫描速率下的柔性超级电容器的恒电流充电-放电和e) 循环伏安曲线(CV)曲线。
Figure 11. a) 原位TEM的实验装置的示意图。b) 单根纳米线电极器件设计的示意图。单根氧化钒纳米线或Si纳米线是工作电极，HOPG或LiCoO2纳米膜是反电极。电解质是PEO-LiClO4-PC-EC聚合物。
Figure12. 未来用于电化学能量存储器件的先进纳米线的发展方向的示意图。
【结论与展望】
这篇综述系统地讨论了电化学储能装置中的纳米线电极材料。纳米线根据不同的结构和组合分类，包括简单纳米线，核壳/包覆结构纳米线，分层/异质结构纳米线，多孔/中孔纳米线，中空纳米线和纳米线阵列，纳米线网络和纳米线束。纳米线的各种形态已经在电化学能量存储装置中显示出巨大的应用潜力。基于此，介绍了不同纳米线在锂离子，钠离子，锌离子电池和超级电容器系统中的应用。并且纳米线电极的原位表征被认为是探究储能机制和原位诊断的重要策略。此外，尽管在一维纳米结构的构建方面已经取得了一些进展，但尚未达到将这些材料优化为可商业化的成熟产品的标准，并且存在进一步提高的机会。如何通过实现规模化生产进行小规模试验仍然具有挑战性。需要改进的材料加工，更好的设备和更有效的制造方法。
Kesong Yu, Xuelei Pan, Guobin Zhang, Xiaobin Liao,Xunbiao Zhou, Mengyu Yan, Lin Xu,* and Liqiang Mai*, Nanowires in Energy Storage Devices: Structures, Synthesis, and Applications, Adv. Energy Mater., 2018, DOI:10.1002/aenm.201802369
作者介绍
徐林，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室教授，入选湖北省“青年百人”计划。2013年，获得武汉理工大学材料物理与化学博士学位（师从麦立强教授、张清杰院士和Charles M. Lieber院士），2011-2013年在美国哈佛大学作为联合培养博士。博士毕业以后，先后在美国哈佛大学（2013-2016年）和新加坡南洋理工大学（2016-2017年）从事博士后研究。主要从事纳米能源材料和纳米生物传感器研究，在Nature Nanotech., Nature Commun., Chem, Joule, PNAS, Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Nano Lett.等国际知名期刊发表学术论文40余篇，论文被引用3500余次，7篇论文入选ESI 高被引论文。在分级纳米结构电化学储能材料方面的研究成果作为重要组成部分获得2014年湖北省自然科学一等奖。
麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院国际事务院长，教育部“长江学者特聘教授”(2016年度)，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在中国科学院外籍院士美国佐治亚理工学院王中林教授课题组、美国科学院院士哈佛大学Charles M. Lieber教授课题组、美国加州大学伯克利分校杨培东教授课题组从事博士后、高级研究学者研究。长期从事纳米能源材料与器件研究，麦立强发表SCI论文290余篇，包括Nature及其子刊11篇，Chem. Rev. 1 篇，Adv. Mater. 14篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇，Angew. Chem. Int. Ed. 2篇，PNAS 2篇，Nano Lett. 25篇，Joule 2篇，Chem.1篇，Acc. Chem. Res. 1篇，Energy Environ. Sci. 1篇，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文90余篇。主持国家杰出青年科学基金、国家重大科学研究计划课题，国家国际科技合作专项、国家自然科学基金重点项目等30余项科研项目。获中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、EEST2018 Research Excellence Awards、Nanoscience Research Leader奖、入选国家“百千万人才工程计划”、科技部中青年科技创新领军人才计划，教育部新世纪优秀人才计划，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现任Adv. Mater.客座编辑，Acc. Chem. Res.、Joule、Adv. Electron. Mater.国际编委，Nano Res.编委。
