研究进展：电化学储能的纳米技术 | Nature Nanotechnology编辑语

在所有技术准备水平上，利用纳米级方法以开发材料和设计实验，有利于电池、超级电容器和混合器件的研究。

最初，纳米技术概念是实现材料一次控制一个原子的方法，几十年来，纳米技术的范围不断扩大。创造“纳米技术nanotechnology”一词的Norio Taniguchi，将其设想为“基于一个原子或一个分子，对材料进行分离、固化和变形的过程” 1。这一解释，促发了显微学领域的显著进步。然而，纳米尺度物体（例如量子点或碳纳米管）的发现，已经超越了这一定义，这些物体的材料性质与尺寸有关。2015年ACS Nano一篇社论，很好地讨论了这一范式转变2。

如今，纳米技术可以说是一种新的研究范式。其中，为颠覆性材料特性和/或器件性能的设计和工程，纳米级尺度的理解提供了新信息。在电化学储能领域，这种研究方法是非常有意义的，因为电化学储能研究领域，特别易受制于纳米尺度材料研究的影响。事实上，纳米技术已经产生了切实的研究成果，并解决了早期实验室原型（技术成熟度technology readiness levels，TRL1-3）问题3，4。

简单例子之一是磷酸铁锂LiFePO4（LFP，锂离子电池电极材料）。最初，微米级磷酸铁锂LFP是由John Goodenough及其合作者于1997合成5，并提出作为非水基锂离子存储的正极活性材料5。然而，由于磷酸铁锂LFP的电子导电性能不高，最初的电极配方使用了25%电子传导碳添加剂。2000年至2010年间，研究人员致力于通过引入纳米碳涂层6和减小颗粒尺寸7，以提高磷酸铁锂LFP电化学储能性能，从而充分利用高电流速率下，磷酸铁锂LFP锂离子存储特性。这些以纳米技术为主导的进步，技术成熟度TRL 从1到4，为开发更高技术成熟度TRL的大型磷酸铁锂LFP锂离子电池铺平了道路。电动汽车公司比亚迪（BYD）也采用了这一解决方案，以提高包装效率并减少小模块的使用。

另一个与工业相关的纳米技术进步是，2000年代后半期开发的碳化钛TiC衍生纳米多孔碳材料8。Skeleton Technologies（一家在技术成熟度TRLs≥5下运行的商业超级电容器制造商）采用这些高效非法拉第电荷存储过程的碳材料，生产了高功率电池，与当时商业超级电容器设备相比，其能量密度增加了72%。

其他历史相关实例，也有助于开发锂离子电池，并将其作为商业产品投放市场的纳米技术应用。诸多基础研究是非水基液体电解质溶液组分（例如，碳酸亚乙酯作为溶剂或采用氟化无机盐），及其在电池中，电极-电解质界面形成的界面（例如，固体电解质界面）影响10。

界面和中间相的基本理解，尤为重要。基于原位或操作测量，低技术成熟度TRL研究工作揭示了机制上的新见解11，并为设计性能更好的电池组件提供信息。

然而，只有考虑到代表实际电池条件的定制实验设计，才有可能从这些测量和分析中转移知识。在识别特定电池失效机制的原因和寻找可能的解决方案。以规避或克服该问题方面，这种方法特别有价值。这些例子证明了，在任何技术成熟度TRL下，理解纳米材料性质的重要性，特别是当发生强烈的材料调控，以生产器件时。当材料经历电极配制、压延、电解质填充、电池组装和形成过程时，后一方面与电化学能量存储特别相关。

为此，纳米技术支持的方法，将继续提升并改善电化学储能器件的研究活动。在任何技术成熟度technology readiness levels，TRL中，自然纳米技术Nature Nanotechnology期刊 ，将永远是“纳米”方面研究核心的进步之家。