三維納米多孔金屬在能源存儲中的應用

馬 霞，張志佳

（天津工業大學 材料科學與工程學院，天津 300387）

20世紀90年代，美國科學家發明專利，引入納米多孔金屬這一概念[1]。近些年，隨著研究的深入，納米多孔金屬可以作為導電性好、比表面積高的電極集流體，從而實現理想的電化學性能，用來滿足能源轉換和存儲的各種需求[2，3]，在鋰離子電池、超級電容器、電催化等領域，納米多孔金屬已經成為了研究熱點[4，5]。

目前納米多孔金屬的研究主要集中于納米多孔金屬原位負載活性物質、引入缺陷等來進行表界面化學成分調控，或者通過表面包覆、改性等手段，增加活性物質負載，促進電極穩定。本文主要總結了以上三個研究熱點方面的一些研究進展。

1 原位合成

過渡金屬氧化物作為鋰/鈉離子電池負極材料憑借理論容量高、儲量豐富的特點而備受矚目[6]。然而，本征導電性差、體積變化劇烈以及電荷傳輸緩慢的特性成為制約其發展的關鍵因素。

目前，研究表明：將納米化的過渡金屬氧化物與三維導電基底相結合制備一體式電極，是實現理想電化學性能的可行途徑。其中，在納米多孔金屬韌帶結構上原位合成過渡金屬氧化物[7]、硫化物[8，9]、磷化物[10]制備一體式電極，能夠在獲得高負載量、高分散性的同時，維持良好的導電性，這對降低活性物質與柔性基底間的接觸電阻、實現穩固的界面結合、快速的電荷傳輸有重要意義。

例如：郎等[7]將過渡金屬氧化物Fe3O4固定在Ni納米管陣列（NTA）的三維集流體上，并用δ-MnO2層進行封裝。結果證明Fe3O4納米粒子與NTA集流體可以穩固結合，電荷輸運也更加穩定。

2 缺陷調控

通過引入缺陷[11]、摻雜導電原子[12]以及相界面調控等工藝能夠調節過渡金屬氧化物的電子/離子傳輸特性，有效改善電化學動力過程，從而提高電極的循環穩定性和倍率性能。

例如：Chen等[13]通過合成鐵鉬雙金屬氧化物，在兩相界面上形成快速的鋰離子傳輸通道，獲得了出色的穩定性與倍率性能，經過理論計算進一步驗證出兩相界面明顯降低的擴散勢壘。

此外，張等[14]利用脫合金化和NiMn合金自氧化工藝在納米多孔鎳韌帶上外延生長雙殼層NiO納米晶體和MnO層，通過引入氧空位缺陷，實現快速的電子/鋰離子傳輸，在1000mAg-1的電流密度下表現出831.5mAhcm-3容量。張等[15]利用脫合金化工藝制備出Ni、Co、P共摻雜的納米多孔Pb，使得甲酸氧化電位發生偏移，展現了優異的催化活性，為可持續的綠色能源創新提供了廣闊的前景。

3 表面包覆改性

在充放電過程中，原位合成的過渡金屬氧化物會直接暴露在電解液中，反復的形成SEI膜。

同時，活性物質會不斷被消耗并從電極表面脫落，造成電化學活性降低。

而碳材料在充放電過程中可以形成穩定的SEI膜，因此在原位合成的過渡金屬氧化物表面進行碳包覆，一方面增加了活性物質負載，另一方面可以改良電極的穩定性。而Majid等[17]在納米多孔鎳銅泡沫上沉積石墨烯，制備得到的三維多孔納米復合電極在增加反應位點的同時，還具有出色的循環穩定性。

4 結論與展望

隨著新能源領域的快速發展，人們對儲能材料的要求也越來越大。目前，傳統的碳材料很難滿足人們對大容量、大功率儲能器件的需求[18]。納米多孔金屬理論容量高，可提供大量活性位點[19]。

本文論述了幾種在納米多孔金屬的表面原位負載活性物質或者通過缺陷調控以及表面包覆改性的方法證明其是改善其電化學性能的有效策略[20]，但研究仍存在不足之處，例如其具體的儲鋰、儲鈉機理尚不完整。所以開發新型納米多孔金屬為下一代儲能器件提供新的途徑是十分有必要的。