纳米纤维阴极在铝离子电池中的研究进展

学术背景

随着全球对可持续能源解决方案的需求日益增长，储能系统的发展成为了研究的焦点。锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和循环稳定性在市场上占据主导地位，但其高成本、资源有限性、安全问题和环境影响等问题促使研究者探索替代的金属离子电池（MIBs）技术。铝离子电池（AIBs）因其更高的理论体积容量、低成本和环境友好性而被视为一种有前景的替代方案。然而，AIBs的性能尚未达到商业化标准，主要原因包括电极材料的体积变化、电解质与电极的副反应以及循环稳定性差等问题。为了解决这些挑战，研究人员开始探索一维（1D）纳米结构，特别是纳米纤维（NFs）作为阴极材料的潜力。纳米纤维具有高比表面积、灵活性和量子效应等优势，能够有效改善电池的性能。

论文来源

本综述论文由Brindha Ramasubramanian、Sai Krishna Tipparaju、S. Vincent、Maciej Koperski、Vijila Chellappan和Seeram Ramakrishna共同撰写。作者分别来自新加坡国立大学机械工程系、迪拜BITS Pilani校区机械工程系以及新加坡国立大学功能智能材料研究所。该论文于2024年10月11日被Advanced Fiber Materials期刊接受，并于2024年10月17日在线发表，DOI为10.1007/s42765-024-00499-1。

论文主要内容

1. 纳米纤维在铝离子电池中的应用背景

铝离子电池（AIBs）的理论体积容量高于锂离子电池，且成本更低、环境友好，但其商业化应用仍面临诸多挑战，如电极材料的体积膨胀、电解质的副反应以及循环稳定性差等。为了克服这些问题，研究者开始关注一维纳米材料，尤其是纳米纤维（NFs）。纳米纤维具有高比表面积、灵活性和量子效应等优势，能够有效改善电池的离子传输速率、机械完整性和循环稳定性。

2. 纳米纤维的制备方法

论文详细介绍了纳米纤维的多种制备方法，包括湿法纺丝、模板合成、界面聚合、相分离、离心纺丝、自组装和静电纺丝（ES）等。其中，静电纺丝是最为广泛应用的技术，能够在大气条件下制备高质量的纳米纤维，且具有较高的灵活性和适应性。论文还详细讨论了影响静电纺丝的关键参数，如溶液浓度、粘度、电导率、溶剂挥发性、电压、流速和针头-收集器距离等。

3. 过渡金属基纳米纤维阴极

论文重点探讨了多种过渡金属基纳米纤维阴极在铝离子电池中的应用，包括钼（Mo）、钒（V）、锰（Mn）、镍（Ni）、铜（Cu）、钨（W）、硒（Se）和钴（Co）等。这些过渡金属化合物与碳基纳米纤维结合后，能够有效提高电池的离子存储能力和循环稳定性。例如，钼基纳米纤维（如MoS2/CNFs）通过静电纺丝和高温碳化制备，表现出优异的电化学性能，初始放电容量达到293.2 mAh g⁻¹，且在200次循环后仍保持130 mAh g⁻¹的容量。

4. 碳基纳米纤维阴极

碳基材料，如石墨烯薄膜和碳纳米纤维（CNFs），因其高导电性和良好的循环稳定性，在铝离子电池中表现出优异性能。论文指出，高石墨化结构的碳材料（如热解石墨）在铝离子嵌入方面表现尤为突出，尽管其孔隙率较低，但其容量可达70 mAh g⁻¹。相比之下，孔隙率较高的碳布和碳毡的容量较低，仅为20至40 mAh g⁻¹。

5. 纳米纤维阴极的表征与性能

论文还详细讨论了纳米纤维阴极的表征方法，包括表面/形态学测试、机械测试和化学测试等。通过原位和离位分析，研究者能够全面评估纳米纤维阴极的电化学性能、结构完整性和热稳定性。例如，通过X射线光电子能谱（XPS）和透射电子显微镜（TEM）分析，研究者能够观察到铝离子在阴极材料中的嵌入和脱嵌过程，从而优化电极设计。

论文的亮点与意义

本综述论文的亮点在于首次系统地比较了纳米纤维基阴极在铝离子电池中的电化学和结构性能。论文不仅总结了近年来在过渡金属氧化物和硫族化合物纳米纤维阴极方面的研究进展，还提出了多种改善电池性能的创新方法，如金属氧化物/硫族化合物与碳基纳米纤维的结合、高温结晶纳米颗粒、自组装和模板技术等。这些方法有效提高了电极的导电性、离子迁移率和结构稳定性。

此外，论文还探讨了铝离子电池中的电解质化学问题，特别是非水电解质和水电解质系统的优缺点。通过对不同电解质系统的比较，研究者提出了改善铝离子电池性能的潜在途径，如电解质的改性、电极材料的掺杂和界面工程等。

结论与未来展望

本论文通过对纳米纤维阴极在铝离子电池中的研究进展进行全面综述，提出了多种改善电池性能的创新方法，并展示了纳米纤维在储能领域的巨大潜力。论文的研究成果不仅为铝离子电池的商业化应用提供了理论支持，还为未来开发高性能、低成本、环境友好的储能系统指明了方向。未来的研究可以进一步探索纳米纤维与其他先进材料的结合，以及新型电解质系统的开发，以实现铝离子电池的更大突破。

论文的价值

本综述论文的发表为铝离子电池领域的研究者提供了重要的参考，总结了近年来在纳米纤维阴极方面的最新进展，并提出了未来的研究方向。论文的成果不仅具有重要的科学价值，还具有广泛的应用前景，特别是在电动汽车、消费电子和大规模电网储能等领域。通过进一步优化纳米纤维阴极的设计和制备工艺，铝离子电池有望在未来成为锂离子电池的有力替代品，推动全球能源结构的转型和可持续发展。