综述：多维纳米材料在锂离子电池中的制备、性能与展望

这篇综述系统阐述了0D-3D多维纳米材料在锂离子电池（LIBs）中的创新应用，重点分析了维度依赖的制备方法（如液相水热法、气相CVD、固相球磨）与性能优势（如0D量子点提升界面兼容性，1D纳米线优化电荷传输），并探讨了规模化生产挑战与未来研究方向。

　　

多维纳米材料在锂离子电池中的工程应用

引言

锂离子电池（LIBs）作为现代能源存储的核心技术，其性能瓶颈主要源于传统电极材料（如石墨、钴酸锂）的理论容量限制。纳米材料的维度工程通过调控0D量子点、1D纳米线、2D石墨烯和3D多孔结构的特性，为解决能量密度、倍率性能和循环稳定性等关键问题提供了新思路。

纳米材料分类

0D材料（如量子点、纳米笼）凭借超高比表面积和量子限域效应，显著提升界面反应活性；1D材料（纳米线、碳纳米管）通过轴向电子传导路径降低阻抗；2D材料（MoS₂、MXene）利用层间通道促进离子扩散；3D架构则通过分级孔隙缓冲体积应变。例如，硅量子点与石墨烯复合可将容量提升至1700 mA h g^-1（500次循环后），而垂直排列的碳纳米管阵列使电极导电性提高3个数量级。

制备方法进展

液相法（水热/溶剂热法）通过pH和温度调控可获得空心Ge@C纳米球；气相沉积（如PVD制备硅/石墨烯夹层）实现原子级界面结合；固相球磨则低成本制备Si-O-C复合粉末。值得注意的是，微波辅助液相法合成的MnC₂O₄纳米棒首次放电容量达1606 mA h g^-1，展现维度与合成方法的协同效应。

维度特异性应用

• •

  0D材料：碳量子点（CQDs）修饰的SnO₂负极通过表面官能团（-COOH）将循环寿命延长5倍；

• •

  1D材料：硅纳米管阵列比纳米颗粒的容量保持率提高50倍；

• •

  2D材料：MoS₂边缘暴露(002)晶面使锂存储位点密度翻倍；

• •

  3D材料：Fe₃O₄@rGO多级孔隙结构在60 C倍率下仍保持300 mA h g^-1容量。

挑战与展望

当前需突破三大科学问题：

1. 1.

   界面反应机制：纳米尺寸对SEI膜成核动力学的调控规律；

2. 2.

   系统兼容性：如MXene与固态电解质的界面阻抗控制；

3. 3.

   规模化生产：碳纳米管的生产能耗需降低60%以上。未来研究方向建议开发原子层沉积（ALD）与3D打印结合的智能制造工艺，推动纳米材料从实验室走向产业化。