3 d且Nanoarchitectured阵列电极的锂离子电池

文摘

三维且nanoarchitectured阵列电极(3 dsnaes)组成的直接增长nanoarchitectured导电电流收集器阵列,包括同类和异类nanoarchitectured阵列结构,目前已研究的最有前途的电极由于multistructure混合产生的协同效应和集成heterocomponents解决需求(能量和功率密度高)的超级性能锂离子电池(LIBs)应用于便携式电子消费设备,电动汽车,大型电力储存,等等。摘要最新进展在制造的策略,选择不同的电流收集器基质,和结构配置3 dsnaes不同阴极和阳极材料详细调查。内在关系的独特结构特点、导电基板,和电化学动力学属性3 dsnaes详细地分析。最后,未来设计的趋势和方向3 dsnaes突出显示,这可能会打开一个新的大道发展理想的多功能3 dsnaes进一步先进填词。

1。介绍

目前,日益恶化的环境污染和广泛的担忧即将耗尽有限的能源资源带来了需求会寻求可再生能源和清洁能源,以应对这些严重的能源和环境问题1- - - - - -3]。作为一种合适的能源,锂离子电池(LIBs)被用于广泛的应用[4- - - - - -7在便携式电子设备、电动汽车,和大规模的电力存储在智能电网中,由于多个优势如高能量密度、安全、寿命长、成本低、和环境亲切。

一个典型的商业自由由一个正电极(阴极)由分层LiCoO₂、非水液体电解质和石墨负极(阳极)在图1(一个)。在充电过程中,锂离子(李⁺)从分层LiCoO deintercalated₂主机,经过电解液,并插入石墨层之间的。亦然,放电逆转这一过程。当然,电子通过外部电路[对面8]。实现充放电,商业库通常由电极和电解质困聚丙烯分离器内,电极的制作浆过程参与混合有源电极与导电碳材料和聚合物粘结剂,然后投射到当前收集器在图1(b)。

电极材料是评价的基础上,具体的(重量)能力(mAh g⁻¹),由他们的充电/放电图形,容量变化的程度在骑自行车在不同要求。强烈关注阴极材料,主要包括LiCoO₂,描写₂O₄,利尼_x锰_y有限公司_zO₂,LiFePO₄V₂O₅(9- - - - - -13),有自己的独特的结构优点,提供高度可使用的⁺扩散途径和缺点像有限的特定能力差能力保留(14,15]。阳极材料,如碳、硅、合金、金属氧化物和金属硫化物/磷化,表现出较高的能力和一些结构不合理稳定、体积变化问题[16- - - - - -24]。无论多么创意人员设计新的锂夹层材料,存在一个缺点由于李的内在扩散系数⁺在固态(ca。10⁻⁸厘米²年代⁻¹),这不可避免地限制了充电/放电性能(25]。在这方面,许多努力一直致力于设计出各种各样的纳米材料具有独特的结构从零维的纳米颗粒和一维(1 d)纳米线三维(3 d)微/纳米结构和空心,核壳结构,从而提高电化学性能,以满足工业应用的要求(25- - - - - -31日]。

这些纳米材料提到的有很大的优势1,32,33在大部分同行)。材料的尺寸缩短⁺和电子传递长度,从而导致更高的能力高。与此同时,高表面积允许大接触电极材料和电解液之间的界面和增强了李⁺整个界面通量,导致更高的容量。此外,小号的可以容纳夹层所带来的压力,减少损失的能力。然而,纳米材料并不是灵丹妙药在某种程度上,有一些缺点34,35如更与电解液反应由于高电解质/电极表面积,弱聚合引起的结构稳定性,和较低的体积能量密度与微尺度材料。

超越上述纳米材料的局限性,选择适当的方法,恰当的结构,各种材料的适当组合将活性材料组装成所需的结构是必不可少的。最近,一种新型的配置3 d且nanoarchitectured阵列电极(3 dsnaes)图1(c)吸引了太多的关注由于组合多样化的纳米结构的优点,包括高表面的高容量、有序和稳定的结构有利于缓冲的体积变化和改善电极的电导率和较低的聚合和崩溃相比,纳米粒子(36- - - - - -38]。这种3 dsnaes包含的直接增长nanoarchitectured导电电流收集器阵列,提供一个直接的途径有效电荷传输沿着阵列轴和三维导电网络形成活性材料,nanoarchitectured数组通路和导电电流收集器。差分从传统浆过程中,每个nanoarchitectured一系列3 dsnaes直接连接到载流衬底没有任何导电粘合剂制剂和允许所有结构的贡献能力和有效的电荷传输,导致优秀的电化学性能(37,39,40]。

本文详细调查的重点是制造策略,选择不同的电流收集器基质,和结构配置3 dsnaes不同的阴极和阳极材料填词。内在关系的独特结构特点、导电基板,和电化学动力学属性3 dsnaes详细分析,我们组也总结最近的工作。最后,问题和前景这种3 dsnaes突出显示。

2。制造策略

3 dsnaes Nanoarchitectured数组,包括一维纳米线(NWs)和纳米管(nt),纳米棒(NRs),显然是影响导电基板的属性,由于独特的结构,Nanoarchitectured数组直接种植在电流收集器基质。不同的策略,因此,应制作3 dsnaes种植在不同的基质。我们所知,导电基板应用于3 dsnaes主要包含铝、铜、钛、镍、金、Si,不锈钢(SS), Fe-based合金、Sn-doped₂O₃(ITO),等等。和制造的策略3 dsnaes可分为3类图2,即self-growing、蚀刻和基于模板的增长。

Self-growing在图2(一个)是捏造的一个nanoarchitectured数组直接种植在基质通过使用各种技术,如气相生长,液/ solvothermal增长,增长为基础的解决方案。气相生长包括热化学气相沉积(CVD)、直接热蒸发41),脉冲激光沉积(骑士)是一个简单的方法,控制氧气之间的反应和金属蒸汽源的vapor-liquid-solid和vapor-solid机制(42,43]。心血管疾病包括种植nanoarchitectured数组的过程在衬底表面通过化学反应在气相,这是造成蒸汽nanoarchitectured数组的元素和其他不可或缺的反应室中的气体。通过使用CVD方法,如果NWs [37)和V₂O₅/ SnO₂NWs [44)可以直接种植在党卫军衬底,和V₂O₅nanoribbons [45)也将在Si衬底。同时采用热蒸发技术,如果nanopillars [46)和SnO₂NWs [47可以有序的种植在党卫军衬底。此外,液/ solvothermal增长是一种常见的方法,准备nanoarchitectured阵列生长在金属或合金衬底。水混合的过程包括可溶性金属盐(金属和/或有机)的前体物质和高压蒸汽的混合溶液的处理了下升高温度从100°C到300°C和相对较高的压力条件1自动取款机。最近,MoO_x关系,在铜基体48),单晶介孔有限公司₃O₄纳米带(49),菲₂O₃评分量表(50)准备通过水力- / solvothermal方法。然而,这些方法提到的,通常需要高温或高压。相比之下,基于液-固相生长机制为基础的解决方案方法已被广泛用于准备独立的nanoarchitectured数组在较低温度下,可以大大降低制造的复杂性和成本51,52]。过程是一块衬底沉浸在反应的解决方案生成与nanoarchitectured阵列薄膜在较低的温度100°C。例如,密度均匀,阵列氧化锌NWs种植在任意的基质是由格林等人通过液固生长(53),和李等人准备介孔有限公司₃O₄NWs数组ammonia-induced钛衬底的解决方案发展(54]。

Self-etching在图2 (b)包括纯化学或电化学反应过程中,表层的导电基板的腐蚀和立即转换nanoarchitectured数组通过使用解决方案和蚀刻材料之间的反应。最近,一些相当大的努力一直致力于制造命令一维硅纳米阵列通过metal-assisted化学腐蚀方法(55,56]。蚀刻过程包括以下几个方面:(一)氧化剂优先降低贵金属表面上;(b)的漏洞导致减少氧化剂的贵金属表面和被注入的Si与贵金属;(c)如果被氧化和解散由高频Si /金属界面。不同于Si腐蚀,腐蚀为基础的解决方案也准备nanoarchitectured数组(57]。沉浸在碱性溶液,表面铜铝箔和镍层网格被腐蚀成1 d措数组(58,59和倪₃年代₂西北数组(60),分别。此外,自组织TiO₂nt数组(61年,62年)已经准备通过电化学阳极处理的钛箔通过控制电解液组成以及速率合成氧化溶解。是兴奋,一种新型的气相腐蚀策略已经由我们组制作措层级结构介孔nanosheet-assembled gearlike柱阵列(HMNGPAs)和介孔nanosheet集群数组(MNCAs) [63年,64年]。这种策略涉及到氧化、络合和热分解过程很简单,低成本,和广泛的适用,大规模的配置提供了一条新途径nanoarchitectured阵列具有独特的多功能特性。

基于模板的增长,顾名思义,就是使用装饰材料沉积在模板在衬底表面通过一个特定的化学或物理方法转换nanoarchitectured数组膜通过删除模板,如图2 (c)。阳极氧化铝膜是最广泛使用的模板,因为它的简单制备和可控孔隙分布均匀性较低的电阻下降,验证均匀电解质流。例如,数组的垂直铜nanopillars铜薄膜衬底是Taberna等人制造的,通过阴极电解沉积铜的电解液^{2 +}离子的毛孔的氧化铝膜(65年]。金等。66年)准备垂直MnO数组₂NWs Si衬底上通过以下步骤:(a)溅射一层厚铝在硅片上,(b)阳极氧化的铝层,(c) MnO阳极电解沉积₂NWs氧化铝的毛孔,(d)去除氧化铝层。此外,采用CVD和阳极氧化铝模板技术,垂直对齐的核壳Au / CNT-V₂O₅NRs数组在铝衬底被金等人合成图所示3(67年]。加上之前的灌溉的模板,V₂O₅tio₂NRs阵列是由capillary-enforced基于模板的方法,填补毛孔的聚碳酸酯膜(PC)和VOSO从底部₄和TiOSO₄解决方案(68年]。

3所示。选择底物

当前收集器衬底,3 dsnaes作为一个主要的组成部分,起着重要作用的配置和电化学性能3 dsnaes。底物可以分为三大类表所示1:阴极衬底具有高氧化电压(Al),阳极底物具有高电化学稳定在低电压窗口(铜)和多功能基质的基础上3 dsnaes填词的函数。

3.1。阴极衬底

一般来说,用于加载阴极材料(LiCoO阴极衬底₂,描写₂O₄,LiFePO₄)需要高氧化电压和高电化学稳定在一个宽电压窗口。铝具有多种优势,如高氧化电压(5 V和李/李⁺)、良好的导电性和较低的价格,可以保护一个薄而致密₂O₃层。然而,在低电压接近于0 V(与李/李⁺),一个Li-Al合金化过程会发生因为溶解沉积的^{3 +}从阿尔₂O₃铝箔层(114年,115年]。因此,铝主要是用作填词阴极材料的电流收集器。单晶V₂O₅NRs和nt数组直接连接到平面铝衬底是王等人制造的,通过基于模板电沉积和交付能力5和1.3倍高于sol-gel-derived电影在同一电流密度,分别为(69年,116年,117年]。尽管V的改进的电化学性能₂O₅nanoarchitectured数组,平面铝衬底表面面积有限提供有限的活动材料和基板之间的接触。在这方面,倪NRs数组首先种植在平面铝衬底,然后涂上了V₂O₅合成Ni-V₂O₅·nH₂O nanocable数组,交付能力单晶V高出大约10倍₂O₅NRs和20倍sol-gel-derived V₂O₅电影,由于大型表面Ni-V提供的和短的扩散路径₂O₅·nH₂O nanocable数组(118年]。之后,艾尔NRs数组直接种植在铝箔构建3 d电流收集器中提供高表面积和促进积极的贡献能力材料(119年,120年]。例如,一个垂直对齐Au / CNT-V₂O₅核壳NRs电极由金等人证明了高容量(473.7 mAh g⁻¹在1C率)和优秀的性能(mAh 379.2 g⁻¹10点C率)与增加反应网站由于一致的纳米结构,促进电荷传输,和改进的机械稳定性67年]。

3.2。阳极底物

铜铝箔被广泛用作阳极材料的集电器,因为金属铜具有良好的导电性几乎形成了Li-Cu合金在低电压和氧化,溶解在高电压(3.6 V和李/李⁺)[115年]。镍nanocones数组(nca)支持如果阳极是首先由张等人通过电解沉积和溅射技术和交付一个高容量的2400 mAh g⁻¹在0.2C率超过100个周期,因为倪nca促进电荷收集和运输,支持电极结构,作为活动的缓冲区(121年]。由于因素,金属铜的化学性质是相当快,容易被酸或碱腐蚀的解决方案。基于模板的增长是一个有效的策略构建3 dsnaes铜衬底。自Taberna等人准备铜基体上铜NRs数组构造铜NRs数组支持铁₃O₄通过阳极氧化铝模板电沉积(65年Cu-Fe等),许多阳极材料₃O₄(122年,123年],Cu-Sn [74年,124年],Cu-Bi [75年),Cu-Cu₃P (84年],Cu-Ni₃Sn₄(18)而开发的基于模板的增长。例如,随着阳极材料、Cu-Ni₃Sn₄交付500 mAh g的容量⁻¹没有衰变超过200周期为0.8C率。此外,经济增长为基础的解决方案也是一个有效的方式大规模fabricateion 3 dsnaes铜衬底,由于制备条件的简单实现。通过改变这些参数包括反应前体离子的比例、温度和浸泡时间,措nt (58,纳米带59),评分量表(76年],氧化锌NRs [77年,铜₂年代NWs [83年)可以直接在铜基体上生长。在0.5C率,措NRs发表了高容量的650 mAh g⁻¹没有能力衰减甚至在100周期。即使在高速率高达20C、铜₂年代NWs能够交付一个可逆容量145 mAh g⁻¹。

金属镍是广泛使用在许多形式,如铝箔、电网和毛毡类,是稳定的4.5 V(与李/李⁺),镍的电解溶解后开始(125年]。倪是常用的阳极材料的电流收集器。风扇等人报道,独立式的有限公司₃O₄nanosheets镍箔衬底上发表了可逆容量631 mAh g⁻¹后50 g周期的恒定电流150毫安⁻¹在一个固定的电压窗口从2.5 V至0.01 V (87年]。吴等人准备MnO互联₂NWs由电沉积镍箔衬底上,交付可逆容量800 mAh g⁻¹100年之后和低容量衰减周期(86年]。此外,面向倪₃年代₂NWs数组在倪网格衬底制造通过经济增长为基础的解决方案显示出可逆容量430 mAh g⁻¹有能力保留80%超过100个周期60]。

铁是最廉价的金属和合金不能产生生活在0 V(与李/李⁺在阴极的极化方向);因此,Fe-based合金衬底可以利用加载金属氧化物负极材料构建3 dsnaes通过水力- / solvothermal增长。通过控制条件下的水力- / solvothermal增长,刘和同事准备了SnO₂评分量表(88年],C /α菲₂O₃nt (89年],氧化锌/ C NRs [90年],SnO₂/ C评分量表(126年)直接种植在Fe-base合金衬底。C /α菲₂O₃nt保留一个可逆容量高达659 mAh g⁻¹在0.2C150个周期后,原始α菲₂O₃nt维护只有384 mAh g⁻¹在相同的条件。这种良好的电化学性能可能归因于的纳米尺度的亲密接触α菲₂O₃导电碳框架和独特的多孔管状纳米结构容易来自牺牲template-accelerated水解。

3.3。双功能基板

双功能基板,包括不锈钢、钛、镍、和Si,可以作为阴极或阳极底物,由于优势,如高氧化电压和non-Li-metal合金化过程在低电压。

作为一个惰性基质,党卫军高氧化电压(5 V和李/李⁺)被广泛用作库,电流收集器因为Cr和铁氧化物表面保护金属体积一般腐蚀。我们所知,心血管疾病和物理气相沉积(PVD)通常是开发建设3 dsnaes党卫军衬底。Masarapu等人发现,对齐的多层碳纳米管(MWNTs)党卫军衬底通过CVD技术交付的初始容量132 mAh g⁻¹在1C率和可逆容量460 mAh g⁻¹1200个周期后,将MWNTs的形态结构和表面缺陷和党卫军衬底对产能的贡献94年]。陈和同事准备一系列Si-based nanoarchitectured数组党卫军衬底上通过使用CVD (37,72年,95年,97年),发现如果NWs表现出稳定的能力~ 3500 mAh g⁻¹20周期。此外,燕等人使用多步化学汽相淀积构造V₂O₅/ SnO₂NWs 60千瓦功率密度高的公斤⁻¹和能量密度高达282 Wh公斤⁻¹(44]。这样优秀的性能可能归因于独特的核/壳结构,薄V₂O₅层是李的快⁺lithiation / delithiation SnO₂核心电子运输提供了一个快捷途径,也增加了V的利用率₂O₅。采用PVD技术,垂直Si nanopillars数组和单晶SnO₂NWs在党卫军衬底也捏造Fleischauer et al。46)和Ko et al。47]。的SnO₂NWs交付高放电容量的510 mAh g⁻¹50个周期后1C率并显示优越的能力440 mAh g⁻¹10点C率。

金属钛电阻碱性氨溶液和氧化,不与锂合金在低电压,因此是一个很好的集电器材料中(127年]。V₂O₅nanobelt数组钛衬底上准备通过水热增长可能提供一个可逆容量240 mAh g⁻¹稳定后50 g周期在400毫安的电流密度⁻¹,高容量150 mAh g⁻¹马在4000克⁻¹(108年]。和介孔有限公司₃O₄NWs数组钛衬底上通过经济增长为基础的解决方案表现出较高的可逆容量859 mAh g⁻¹g 111毫安的电流密度⁻¹和高能力450 mAh的g⁻¹马在2220克⁻¹和240 mAh g⁻¹马在5550克⁻¹(54]。同时直接阳极氧化和退火钛箔、自组织TiO₂nt钛衬底上可以获得的。奥尔蒂斯等人发现非晶TiO₂nt最高容量77年交付μ啊厘米⁻²,水晶TiO₂nt能力最好的保留90%超过50周期(62年]。魏TiO等人报道₂nt 50纳米孔隙大小和20纳米厚度显示最高的可逆容量180 mAh g⁻¹超过140个周期(128年]。刘和同事发现TiO₂nt退火N₂拥有一个初始放电容量163 mAh的g⁻¹和维护145 mAh g⁻¹超过50周期和TiO₂nt退火在有限公司展出的初始容量223 mAh g⁻¹的可逆容量179 mAh g⁻¹在50周期(129年,130年]。结果可能归因于表面缺陷的存在如Ti-C物种和Ti^{3 +}组织与氧气空缺,提高阵列的电荷转移电导率和促进相变。

虽然如果可以形成李四合金在0.12 V(与李/李⁺),晶体硅核的核壳crystal-amorphous Si NWs充当不活性物质商店但稳定的机械支持97年]。因此,硅衬底可以作为双功能加载阴极或阳极材料的基质构建3 dsnaes。陈等人准备单晶V₂O₅nanoribbons通过热汽相淀积和发现,转换的V₂O₅到李津₃V₂O₅阶段可以发生在10 s薄nanoribbons,建议大幅提高电池功率密度(45]。刘和同事发现MnO₂h·0.5₂O nanowall数组- Si衬底上展出一个可逆容量220 mAh g⁻¹超过50周期为0.5C率和介孔MnO₂h·0.5₂O nanowall数组与500纳米厚度提供一个稳定的容量为256 mAh g⁻¹(111年,131年]。这样优秀的电化学性能可能归因于分层次结构宏观和MnO中孔隙₂h·0.5₂O,这提供了一个巨大的表面积与体积比支持接口的感应电流的反应和缩短固态扩散路径。此外,金等人准备的垂直阵列Sn NWs Si衬底上通过阳极氧化铝模板电沉积(113年),显示400 mAh g的放电容量⁻¹经过15 g周期在4200毫安的电流密度⁻¹。

4所示。结构配置

纳米材料作为电极材料的库,可以提高充电/放电动力学和改善高存储容量,尽管遭受低的热力学稳定性和表面副反应。优化和设计适当的nanoarchitectured阵列电极材料的优点和限制的缺点,因此,特别重要的3 dsnaes的电化学性能。类型3 dsnaes结构审查的包含同质异构nanoarchitectured nanoarchitectured数组和数组(图4)。

4.1。同质Nanoarchitectured数组

同质nanoarchitectured数组,即单组分纳米结构阵列,主要包括简单的纳米结构阵列,纳米结构的集群数组和纳米结构gearlike数组nanoarchitectured阵列的结构特点的基础上。对于这一类,纳米结构阵列直接连接到导电衬底作为支撑结构和电活性材料以减轻大应变没有粉碎和提供良好的电子接触和传导。电活性材料nanoarchitectured数组,因此,相当严格和应具备的优点包括一定程度的导电性和容易控制增长。

简单的纳米结构阵列通常由单相1 d NWs, nt, NRs数组直接连接到导电衬底。到目前为止,1 d阵列材料,如V₂O₅纳米带(108年),多层碳纳米管(热合)[72年,94年),如果NWs [132年],通用电气NWs [95年],Sn NWs [113年),SnO₂评分量表(88年],MnO₂NWs [86年)已经开发作为3 dsnaes率能力和循环稳定性。V₂O₅纳米带直接种植在基于氢键作用的钛衬底交付高可逆容量650和520 mAh g⁻¹后50周期电流密度的1.2和3 g⁻¹,分别。热合直接种植在铜电流收集器(MWCNT-on-Cu)图5被一个两步合成催化剂沉积和CVD过程和显示较高的可逆容量900 mAh g⁻¹50个周期后1C率。优秀的电化学性能MWCNT-on-Cu结构可以归因于高李离子在碳纳米管的墙壁夹层,强烈与铜基体和良好的导电性。

集群纳米结构阵列,一般来说,由集群的NWs组装,NRs,和nanosheets。因为NWs, NRs和nanosheets通常倾向于集群聚集并形成纳米结构由于其结构的不稳定。最近一些集群纳米结构阵列,包括网络和如花似玉措(133年,134年],措MNCAs [64年),而措pine-needle-like (PNL数组(见图)6)[135年),一直用作3 dsnaes增强锂存储属性。措MNCAs合成了我们组表现出较高的可逆容量639.8 mAh g⁻¹100个周期后1C548.8 mAh g的速率和一个高效的能力⁻¹10点C率。措PNL阵列制造由我们组通过一个阳极路线提供高容量的545.9和492.2 mAh g⁻¹15岁C和20C利率和展出优秀cyclability mAh 583.1 g⁻¹100个周期后2C率。增强锂存储属性可以归因于集群独特的纳米结构阵列,提供合适的分支锂存储和合适的自由空间来促进⁺整个界面通量以及容纳大量变化。

纳米结构gearlike数组。在这方面,数组的大小直接连接到基质主要是微尺度,这是稳定、容易控制由一个简单的方法合成。此外,微阵列通常由大量nanosheets, NWs,或国家统计局与相同的组件,支持扩大活性材料和电解液之间的接触区域。微尺度coglike措microemulsion-mediated捏造出来的方法表现出较高的可逆容量583 mAh g⁻¹的速度4C(136年]。在我们的工作中,措HMNGPAs [63年)如图7已经通过合成一种新型气相腐蚀战略和651.6毫安时表现出良好的循环稳定性g⁻¹100年之后,周期为0.5C率和高速的能力561.6 mAh g⁻¹10点C利率,因为独特的HMNGPAs组成的众多gearlike柱子由nanosheets可以充分利用微型和纳米,即micropillars结构稳定性和介孔nanosheets lithium-storage高的网站。

4.2。异构Nanoarchitectured数组

异构nanoarchitectured数组与multinanocomponents混合纳米结构阵列每个定制来满足不同需求如高能量密度、高电导率和良好的机械稳定性。结构特点的基础上,异构nanoarchitectured数组可以划分为六个类型,包括(a)简单异质纳米结构阵列,(b)同轴或核/壳异质纳米结构阵列,(c) semicoated grenadelike异质纳米结构阵列,(d)分散异构的纳米结构阵列,(e)异质纳米结构阵列扩展,(h)折叠异质纳米结构阵列(图8)。

4.2.1。准备简单异质纳米结构阵列

一般来说,这种结构组成的一维阵列结构与两个或更多组件作为活性材料,根据双锂插入/遗弃机制。V₂O₅tio₂NRs数组与摩尔比率V / Ti = 75/25由高桥等人可以提供V的放电容量的1.5倍₂O₅电流密度的关系,马92 g⁻¹,造成结晶度的变化以及相邻层之间交互部队在V₂O₅(68年]。SnO₂/α菲₂O₃元阵列制作由曾庆红等人显示区域能力1.289 mAh厘米高⁻²马以当前的速度为0.1厘米⁻²,可能由于协同SnO锂存储₂和α菲₂O₃电活性材料(137年]。

4.2.2。同轴或核/壳异质纳米结构阵列

在这种情况下,同轴或核/壳结构指的是一维数组内部核心涂层完全由其他材料作为外壳。一维数组的函数内部核心和壳可以支撑结构和电活性材料一维数组的特殊性的基础上直接连接到导电衬底。

而一维数组内部核心只是作为支撑结构,外层是用作电活性材料,包含Al NRs-LiCoO和独特的结构材料₂(见图9)[70年)、铜NRs-Fe₃O₄(65年),Cu-Si nanocable [138年),Cu-Si_{1 - x}通用电气_xNWs [82年),混合ITO / TiO₂(102年],Ni / Si NWs [139年)表现出一个超级高速性能。例如,Cu-Si nanocable表现出特定的容量高达1890 mAh g⁻¹在电流密度为0.3 g⁻¹和1660 mAh g⁻¹在电流密度为1.4 g⁻¹。混合ITO / TiO₂展示了极低的平均能力减弱0.1% 1000年循环周期的电流密度60C。以前优秀的锂存储属性可能与独特的铝,铜、伊藤和倪一维纳米结构导电衬底直接连接,作为电活性材料的内在核心,形成三维导电网络当前的收藏家,提供高效的离子和电子传递途径,提高单位面积上的能量密度。

另一个策略是一维数组内部核心作为活性材料和外壳作为导电剂(非晶碳)。半导体金属氧化物通常构造了核/壳有限元₂O₃/ C nt和关系,50,89年],氧化锌/ C [90年],SnO₂/ C评分量表(126年数组,其中金属氧化物是活跃的核心和结构框架,和碳壳(nano-Cu)用于提高材料的电导率和抑制体积膨胀。SnO₂/ C关系,由一个两步水热法表现出较高的可逆容量585 mAh g⁻¹马后50周期在500 g⁻¹。此外,一个新的比碳镀铜层具有较好的导电性,可以抑制电解液分解表面上的一维数组。陈等人发现了铜Si NWs显示首次库仑效率90.3% g 210毫安的电流密度⁻¹(101年]。

第三种方法是内在的核心和壳都是构建同轴SnO活动材料₂NWs /碳纳米管(91年),混合MnO₂/碳纳米管(92年),同单晶硅nt海绵(140年]。混合MnO₂碳交付2170 mAh g的首次放电容量⁻¹和g ~ 500 mAh的可逆容量⁻¹经过15周期。这种材料显示充电/放电性能好,由于双锂存储机制的插入/遗弃,在碳纳米管作为一个高度导电骨架容纳体积膨胀,避免结块。

4.2.3。Semicoated Grenadelike异质纳米结构阵列

grenadelike结构类似于核/壳结构和内部芯和外层组成。然而,区别是semicoated grenadelike结构的外壳。一般来说,核心是主要的组件和功能属性,而外壳充当结构支持。奥尔蒂斯等人准备NWs SnO / nt TiO₂(141年)和NWs菲₂O₃/ nt TiO₂(见图10)[142年在TiO的矩阵₂nt阳极处理和电镀。电流密度的50μ一个厘米⁻²,NWs SnO / nt TiO₂表现出非凡的可逆容量约140μ啊厘米⁻²ca的保留能力。85%的50岁以上的周期。增强的电化学性能可以归因于TiO₂nt矩阵,使体积膨胀的⁺插入和遗弃的过程。

4.2.4。分散的异质纳米结构阵列

在这种分散结构,纳米材料通常固定在表面的一维数组作为电活性成分或导电网络的电子传输。而一维数组(碳纳米管和Si NWs)是电子导电通路和稳定的机械支持应变释放,固定纳米材料包括LiCoO₂(描写₂O₄)[105年),LiCoPO₄(106年,107年],NiO NWs [110年作为电活性成分。的binder-free LiCoO₂3 wt % SACNTs复合材料可以提供较高的可逆容量145.7 mAh g⁻¹在0.1C率和130.4 mAh g⁻¹在2摄氏度的水平。命令NiO-coated Si NWs数组显示一个可逆容量606.13 mAh g⁻¹马的速度50 g⁻¹经过30周期。而分散的纳米材料(Ag)纳米粒子)主要应用于改善导电和利用的活性材料,公司₃O₄ag NWs数组展出逾82%容量保持在2000毫安的电流密度g⁻¹20周期后,与74%相比能力保留原始的有限公司₃O₄数组(143年]。当一维数组和分散的纳米材料都是用作电活性材料,这些结构性材料VA CNTs-Si [One hundred.,144年- - - - - -146年)显示高锂存储的能力。例如,VA-CNTs / Si阵列如图11通过一个两步CVD技术表现出高的放电能力2980,1890,765 mAh g⁻¹在1.3C,5C和15C分别率。

4.2.5。支异质纳米结构阵列

类似的核壳结构,分支异质纳米结构阵列,一般来说,由一个内核和外壳具有分支结构,具备所有预期每个组件的功能和强大的协同作用的增强。更具体地说,内核提供了一个直接电子传递途径,而外壳保持结构稳定的内在核心排放收费过程中。核壳Ni / MnO₂混合(103年)捏造通过水热法江等人690年交付可逆的能力,572年,445 mAh g⁻¹电流密度的1478、2958和5804 g⁻¹,分别。周等人报道,分支α菲₂O₃/ SnO₂(104年)(见图12)准备通过结合汽运输淀积和温和的水热法显示出显著提高初始放电容量1167 mAh g⁻¹,这是SnO的2倍₂NWs (612 mAh g⁻¹),α菲₂O₃评分量表(598 mAh g⁻¹)。分支的能力就越高α菲₂O₃/ SnO₂是由于,α菲₂O₃分支机构提供新的李⁺主机,提高可逆容量,抑制核心SnO的退化₂。

4.2.6。折叠异质纳米结构阵列

尽管复杂,折叠异质纳米结构阵列通常是由多层二维表之间的一维纳米结构阵列嵌入,提供形态灵活地阻碍结构崩溃和李的高效运输⁺和电子,导致优秀的电化学性能(147年]。霁等人报道,多层石墨烯/ Sn-nanopillar纳米结构(图13),通过自组装和退火过程,保留一个可逆容量501和408 mAh g⁻¹在1和5 g的电流密度⁻¹35个循环后,分别可归因于石墨烯和Sn作为电活性材料,电子导电材料、和机械支持材料(85年]。

5。结论和展望

总之,最近的进步的设计、制造、和属性3 dsnaes同构或异构nanoarchitectured结构LIBs详细了。表1举例说明了一个评估优化各种电极材料和合适的策略来构建3 dsnaes各种电流收集器基质。从工业的角度来看,经济增长为基础的解决方案在低温度和热液的方法被认为是最有前途的构建3 dsnaes通过适当的电极材料和适当的电极结构。

显然,3 dsnaes的纳米结构阵列连接导电收集器衬底时变得机械不稳定生长过长轴方向。此外,3 dsnaes的电化学性能强烈依赖于接口的物理/化学性质在异构nanoarchitectured结构。系统/协同作用的结合的机械完整性和电化学动力学3 dsnaes的性质,因此,需要高性能填词的发展。

可以看出,大量的研究已经取得了在设计3 dsnaes同构或异构nanoarchitectured数组。一方面,1 d NWs之间的混合结构,NRs,和2 d nanosheets增加特定的能量密度(特别是面积和体积能量密度)的电极,通过充分利用电极内的空洞,和功能同时作为“稳定器”和“缓冲”3 dsnaes良好的循环稳定性。另一方面,异构组件的概念打开了一个有前途的大道设计多功能3 dsnaes通过整合各组分的优势。因此,设计多功能3 dsnaes协同特性,通过选择合适的电极材料和合适的结构是一个明亮的方法来解决不同的需求(高能量密度、高导电性、良好的机械稳定性,等等)的良好特性库应用于便携式电子消费设备,电动汽车,大规模的电力储存。

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