近期，江南大学乔辉教授和魏取福教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Growth-Controllable Spindle Chain Heterostructural Anodes Based on MIL-88A for Enhanced Lithium/Sodium Storage”的研究进展。研究者通过静电纺丝技术和种子介导生长策略，在水溶液中配位Fe3+和富马酸，构建了一种纺锤链结构金属有机框架(MIL-88A)自牺牲模板，这是一种环境友好的合成路径。研究结果表明，种子介导生长策略可以将成核和生长阶段相分离，从而更好地控制MIL-88A的形状演变，提升面质量负载量。得益于其杂原子掺杂导电网络、多孔结构和多组分协同效应，纺锤链结构Fe2O3@N掺杂碳纳米纤维(FO@NCNFs)应用于锂离子电池和钠离子电池显示出良好的倍率性能和长循环稳定性。
利用静电纺丝技术所制备的纳米纤维架构，因其丰富的活性位点和优化的导电通路，促进了离子的快速扩散与电荷转移，在储能领域展现出卓越的应用前景。特别是结合了过渡金属氧化物/硫化物的珠串结构，已被证实具有良好的电化学性能。然而，这种珠串结构仍面临挑战，包括活性材料与纤维基体间结合力不足导致的脱落问题、纳米颗粒的不均匀分散、较低的面负载量以及结构的不稳定性。因此，开发兼具高能量密度与功率密度的纤维电极材料，仍是一个待解决的关键问题。
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在该项工作中，通过种子介导生长策略构建了纺锤链结构，与混合策略(将金属有机框架与纺丝液混合后电纺)相比，该方法具有更高的质量负载。具体来说，预先制备的纳米晶种子为外来原子提供异相成核的生长位点，牢牢将其固定在纳米纤维表面。另一方面，在二次生长过程中，通过控制动力学和热力学参数，可以调节外来原子的生长模式，有效避免晶体的自主成核和生长，从而精确制备珠链结构。经过退火处理后，纤维基体和晶体颗粒发生收缩，呈纺锤链状，衍生的FO@NCNFs具有厚度约为45 nm的碳壳，由于碳表面与纳米颗粒之间的空间约束效应，阻止了金属氧化物的分离和聚集，这对提高电池能量密度和长循环寿命具有很大优势。
图1：纺锤链状FO@NCNFs复合纳米纤维的制备和形貌。
为了研究结构-性能关系，研究人员对其循环性能、倍率性能等电化学性能进行测试。FO@NCNFs作为锂离子电池负极材料，在10 A/g的电流密度下循环2000圈，放电容量为167 mAh/g。作为钠离子电池负极材料显示出超长的循环稳定性，在2A/g电流密度下循环2000圈可逆容量为260 mAh/g，在8 A/g电流密度下循环7000圈放电容量为102 mAh/g。研究结果表明，在充放电循环过程中，纺锤链状FO@NCNFs复合纳米纤维具有良好的空间约束效应，可以缓解FexOy的体积膨胀效应，同时促进离子/电子迁移。此外，基于碳骨架良好的导电性和机械强度，提高了FO@NCNFs的动力学过程，相应地保持了结构稳定性和连续的电子迁移，这对于提高LIBs/ SIBs的倍率性能和循环寿命具有较大优势。
图2：纺锤链状FO@NCNFs复合纳米纤维应用于锂离子电池的电化学性能。
图3：纺锤链状FO@NCNFs复合纳米纤维应用于钠离子电池的电化学性能
此外，制备的全电池FO@NCNFs-6//LiCoO2和FO@NCNFs-6//Na3V2(PO4)3可至少点亮45个LED灯泡组成的灯牌，显示出实际应用前景。因此，这种从纳米尺度到宏观尺度调控的纺锤链结构，将为高能密度与功率密度纤维电极材料的制备及其在下一代可充电电池中的应用提供新的视角。
图4：全电池的实际应用。
综上所述，本工作通过静电纺丝技术和种子介导生长策略，构建了一种纺锤链结构复合纳米纤维电极材料。得益于良好的空间约束效应，碳骨架良好的导电性和机械强度，有效阻止了金属氧化物的分离和聚集，缓解了体积膨胀效应，促进了离子/电子迁移，提高了电池的能量密度和循环寿命。这种在纳米尺度和宏观尺度上调控珠串结构的方法为高能量密度和高功率密度的电极材料的发展提供了新思路。
作者简介
乔辉，江南大学教授、博士研究生导师。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省产学研联合创新基金、中国博士后科学基金特别资助及面上项目等国家（或省部）级项目。近年来在Advanced Fiber Materials、Small、Chemical Engineering Journal、Advanced Composites and Hybrid Materials和ACS Applied Materials & Interfaces等期刊共发表SCI论文80篇，他引2000余次；参编《Functional Nanofibers and Their Applications》英文教材1部；授权发明专利4项；荣获教育部自然科学奖二等奖、中国纺织工业联合会科技进步奖三等奖、中国商业联合会科技进步奖三等奖等。
魏取福，江南大学教授，博士研究生导师。现任江南大学生态纺织教育部重点实验室主任，入选教育部新世纪优秀人才、江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科学技术带头人和江苏省“六大高峰人才”计划。中国纺织工程学会理事，Textile Bioengineering and Informatics Society (TBIS)国际执委会委员。研究成果获得教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖和中国商业联合会科学技术奖一等奖等。指导的博士研究生获得全国优秀博士论文提名奖、江苏省优秀博士论文等。先后主持承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项和教育部创新团队等国家（或省部级）项目及多项企业合作项目。近年来共发表SCI收录论文400多篇，他引13000余次，H-因子55，主编英文学术专著2部，2020-2022连续三年爱思唯尔“中国高被引学者”。
