用于储能应用的微流控和纳米材料

纳米结构已成为控制材料电化学性能的关键因素。开发具有多种化学成分和形态的新型纳米材料能够制造具有各向异性结构和优异电气和机械性能的电极。

通过利用流体力学定律，微流控可以帮助研究人员制造出具有独特尺寸和精确控制形状的纳米颗粒，从而为设计下一代大功率储能设备开辟了可能性。

电力对现代社会至关重要，是全球使用的主要电力形式之一。高效的存储和电力供应是许多家庭和工业应用必不可少的技术，例如便携式消费电子产品、医疗设备和电动汽车。

有几个因素支撑着纳米材料在储能应用中的不断增长。纳米结构是提高各种材料电化学性能的关键因素之一。这是通过利用各种电荷存储机制来实现的，例如基于表面的离子吸附、赝电容和扩散限制插层过程。

最近开发的新型高性能纳米材料，如氧化还原活性过渡金属碳化物（MXenes），产生了导电率超过碳和其他传统材料的新型电极材料。此外，创建碳-硅和碳-硫等纳米复合混合结构，以及开发通用的纳米结构方法，可以为实现下一代高功率和长寿命储能器件提供解决方案。

与传统的电池和超级电容器材料相比，纳米材料提供了大大改善的离子传输和电子导电性。这些特性使基于纳米材料的电极能够承受高电流和多次充放电循环，从而为高效储能提供了有前景的解决方案。

然而，与在储能应用中使用此类材料相关的许多挑战仍未解决。目前，多壁碳纳米管添加剂和碳包覆硅颗粒（用于锂离子电池电极）是唯一用于商业设备的纳米材料。

与传统制造工艺不同，使用纳米材料构建复杂的电极架构需要创新的制造方法，例如 3D 打印、溶液自组装、原子层沉积和其他先进技术，以确保对制造过程进行精确控制。这种先进的方法还可以为消费产品开发灵活、可拉伸和可穿戴的能量存储和收集解决方案。

微流控利用特定几何形状的微观通道和腔室中流体的运动和混合，将样品制备、反应、分离和检测集成在一个设备中。由于微流控反应器中毛细管的小尺寸以及由此产生的大表面积与体积比，微流控技术提供了克服传统纳米材料合成方法的一些最关键缺点的方法。

这些特征允许快速和均匀的传质以及对合成纳米材料特性的卓越控制。此外，这种微型反应器的尺寸减小和独特的几何形状需要更小的试剂体积，并且能够精确控制流体混合、改善传热、易于自动化并大大缩短反应时间。

与传统纳米粒子合成方法相比，使用微流控方法的优势导致在制备高度稳定、均匀、单分散的纳米材料中更多地使用微流控。

通过采用多相微流控系统，韩国浦项科技大学的研究人员合成了多种基于导电聚合物和金属有机骨架前体的多孔纳米颗粒，这些纳米颗粒具有高导电性和大电容。

类似的微流控方法使北京清华大学的一个研究小组能够制造出尺寸分布均匀、超薄层状结构、大比表面积和出色电化学活性的还原氧化石墨烯和二硫化钼纳米片。这种纳米片因其可调节的带隙、低骨架密度以及良好的电子传导和离子存储物理化学性质而被认为是超级电容器和电池的理想电极材料。

通过进一步完善纳米级合成的微流控方法，青岛大学和中国北京理工大学的研究人员开发了一种微流控芯片，可以连续旋转适合大规模生产的石墨烯基纤维超级电容器。

对还原氧化石墨烯和海藻酸钙-聚乙烯醇之间反应的卓越控制产生了一种基于纳米纤维的超级电容器装置，其中海藻酸钙-聚乙烯醇电解质本质上由两个还原氧化石墨烯电极层压，并直接在微流控中添加碳纳米管渠道。

研究人员还证明，该技术可以扩展到微流控 3D 打印方法，能够制造具有超过 109 mWh cm -3的超高能量密度和在循环耐久性下无与伦比的机械稳定性的基于 2D 微织物的超级电容器。

这些有希望的结果表明，微流控技术有可能在未来主导储能领域，促进纳米和微米构件、一维微纤维和二维微纤维的合成，用于大规模生产纤维基超级电容器和电池。