三维纳米多孔金属在能源存储中的应用

马 霞，张志佳

（天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387）

20世纪90年代，美国科学家发明专利，引入纳米多孔金属这一概念[1]。近些年，随着研究的深入，纳米多孔金属可以作为导电性好、比表面积高的电极集流体，从而实现理想的电化学性能，用来满足能源转换和存储的各种需求[2，3]，在锂离子电池、超级电容器、电催化等领域，纳米多孔金属已经成为了研究热点[4，5]。

目前纳米多孔金属的研究主要集中于纳米多孔金属原位负载活性物质、引入缺陷等来进行表界面化学成分调控，或者通过表面包覆、改性等手段，增加活性物质负载，促进电极稳定。本文主要总结了以上三个研究热点方面的一些研究进展。

1 原位合成

过渡金属氧化物作为锂/钠离子电池负极材料凭借理论容量高、储量丰富的特点而备受瞩目[6]。然而，本征导电性差、体积变化剧烈以及电荷传输缓慢的特性成为制约其发展的关键因素。

目前，研究表明：将纳米化的过渡金属氧化物与三维导电基底相结合制备一体式电极，是实现理想电化学性能的可行途径。其中，在纳米多孔金属韧带结构上原位合成过渡金属氧化物[7]、硫化物[8，9]、磷化物[10]制备一体式电极，能够在获得高负载量、高分散性的同时，维持良好的导电性，这对降低活性物质与柔性基底间的接触电阻、实现稳固的界面结合、快速的电荷传输有重要意义。

例如：郎等[7]将过渡金属氧化物Fe3O4固定在Ni纳米管阵列（NTA）的三维集流体上，并用δ-MnO2层进行封装。结果证明Fe3O4纳米粒子与NTA集流体可以稳固结合，电荷输运也更加稳定。

2 缺陷调控

通过引入缺陷[11]、掺杂导电原子[12]以及相界面调控等工艺能够调节过渡金属氧化物的电子/离子传输特性，有效改善电化学动力过程，从而提高电极的循环稳定性和倍率性能。

例如：Chen等[13]通过合成铁钼双金属氧化物，在两相界面上形成快速的锂离子传输通道，获得了出色的稳定性与倍率性能，经过理论计算进一步验证出两相界面明显降低的扩散势垒。

此外，张等[14]利用脱合金化和NiMn合金自氧化工艺在纳米多孔镍韧带上外延生长双壳层NiO纳米晶体和MnO层，通过引入氧空位缺陷，实现快速的电子/锂离子传输，在1000mAg-1的电流密度下表现出831.5mAhcm-3容量。张等[15]利用脱合金化工艺制备出Ni、Co、P共掺杂的纳米多孔Pb，使得甲酸氧化电位发生偏移，展现了优异的催化活性，为可持续的绿色能源创新提供了广阔的前景。

3 表面包覆改性

在充放电过程中，原位合成的过渡金属氧化物会直接暴露在电解液中，反复的形成SEI膜。

同时，活性物质会不断被消耗并从电极表面脱落，造成电化学活性降低。

而碳材料在充放电过程中可以形成稳定的SEI膜，因此在原位合成的过渡金属氧化物表面进行碳包覆，一方面增加了活性物质负载，另一方面可以改良电极的稳定性。而Majid等[17]在纳米多孔镍铜泡沫上沉积石墨烯，制备得到的三维多孔纳米复合电极在增加反应位点的同时，还具有出色的循环稳定性。

4 结论与展望

随着新能源领域的快速发展，人们对储能材料的要求也越来越大。目前，传统的碳材料很难满足人们对大容量、大功率储能器件的需求[18]。纳米多孔金属理论容量高，可提供大量活性位点[19]。

本文论述了几种在纳米多孔金属的表面原位负载活性物质或者通过缺陷调控以及表面包覆改性的方法证明其是改善其电化学性能的有效策略[20]，但研究仍存在不足之处，例如其具体的储锂、储钠机理尚不完整。所以开发新型纳米多孔金属为下一代储能器件提供新的途径是十分有必要的。