仿生维管束的有序介孔纳米纤维 | NSR

在自然界中广泛存在厘米以上长程序的层次自组装，竹子就是一个典型的例子。它的维管束直径为50-200μm的纵向通道整齐排列，这种精细结构促进了养分和水的高速流体动力学。锂电池和燃料电池等电化学能源器件对电解质和电子均匀快速流动的要求越来越高，特别是在活性电极材料的高负荷下，以满足电池/封装级的高能量目标。在整个电极上构建具有良好电子传导的排列通道的维管束状结构可以解决这一问题。然而，由于缺乏合适的合成方法，这种纳米级仿生学很少在能源器件中实现。

为解决此问题，这篇论文报道了一种新颖的方法，模仿自然界中的竹子具有微米级的长径向通道和细小的横向孔隙的维管束结构，通过静电纺丝技术制备有序介孔纳米纤维OD-MNCF，该合成包括自组装聚苯乙烯(PS)均聚物、两亲性嵌段共聚物和碳前驱体成超分子胶束。这些介孔纳米纤维不仅具有厘米级的长程有序排列，还能通过细小的孔隙进行侧向连接，极大地提高了活性位点的暴露程度并加速了电子/离子的传输。

(a)竹子的结构示意图；(b)电纺丝合成单取向有序介孔碳纳米纤维及电场介导的胶束自组装过程，表征了PS/PEO-b-PS/溶胶胶束从球体到纳米线的形态转变过程；(c)蠕虫状中孔碳球；(d)非有序介孔碳纳米纤维

(a)柔性OD-MCNF-10胶片的数码照片图像；(b,c) ODMCNF-10的SEM图像；(d、g)OD-MCNF-5；(e、h)OD-MCNF-10；(f、i)OD-MCNF-15的透射电镜图像；(j)SAXS模式；(k) OD-MCNF-5, OD-MCNF-10和0D-MCNF-15氮吸附等温线和(l)孔径分布）

通过与掺杂N、S的有序介孔纳米纤维OD-MNCF和无序介孔纳米纤维NO-MCNF(N, S)的对比，进一步验证了有序介孔结构在促进锂离子传输、增强界面润湿性和抑制锂枝晶生长中的重要作用。实验结果表明，这种有序介孔纳米纤维材料较无序介孔纤维在提高锂金属负极的电化学性能、抑制锂枝晶生长以及提升电池整体性能方面具有显著优势。该锂金属电池在3000h(3000次循环)内具有优异的循环稳定性，即使在10、20和30 mAh cm-2的高电流密度下也具有~15、~21和~28 mV的超低过电位以及优异的电化学动力学性能，为锂金属电池等高性能电化学能量存储系统的发展提供了一种新的材料解决方案。

(a)在电流密度为1mA cm-2、容量为1mAh cm-2的情况下，在三种不同集电极上第一次循环镀锂的电压分布图；(b)循环性能；(c)裸锂电池，Li/OD-MCNF(N,S)和Li/NO-MCNF (N, S)对称电池的倍率性能比较；(d)锂离子扩散系数随放电过程状态的函数；(e)不同电流密度下电压极化的比较；(f)OD-MCNF(N, S)、NO-MCNF(N, S)和Cu电极在2 mA cm-2下的电化学镀锂曲线

该论文不仅为制备具有复杂微观结构和优异功能的新型纳米材料提供了一种有效的方法，也为锂金属电池等高性能电化学能量存储设备的设计和优化提供了宝贵的理论和实验基础。

这项成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），东华大学纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院博士后朱晓航、刘萌萌为论文共同第一作者，罗维研究员和李小鹏研究员为论文通讯作者。