Ø 在可持续发展和创新生态系统的时代，高能量密度是发展包括电池技术在内的新型储能方式的重要要求之一。

Ø 相关研究证明，金属-空气电池具有极高的能量密度、比能量以及循环使用寿命。此外，它们还具有环保、低成本、轻量化的特点。

Ø 在电池结构中，纤维材料已被证明可以改善金属-空气电池的热稳定性、电子和离子导电性以及循环性能。这是因为它们具有比表面积大、形貌可控、孔隙率高等突出的性能。

Ø 纤维结构材料，特别是纳米纤维材料具有尺寸效应、压电效应、热电效应以及优良的光学、电学、磁学、力学和热学性能。这些独特的特性使其成为具有优越结构、储能和电化学应用的纳米器件的合适候选材料。纤维结构材料在能源器件中表现出更加稳定的性能、更大的电容量和低温运行性能。例如，基于纤维的形状膜和电极已经被证明可以提高金属-空气电池的能量密度和寿命。据报道，多孔结构纤维制成的膜可显著的改离子导电性，并可提高电解质吸收量。

Ø 本文介绍了四种不同金属-空气电池的基本工作原理，包括Li-O2、Zn-O2、Mg-O2和Al-O2电池系统，综述了在金属-空气电池中使用的各种纤维材料，包括金属基、金属氧化物基和碳基纤维形状材料。

Ø 最后，结合金属-空气电池和纤维状结构电极材料的发展前景，指出了目前存在的问题和面临的挑战，以及未来的发展前景。

碳材料、金属材料和金属氧化物材料用于不同的金属-空气电池领域

Ø 由于碳材料具有良好的导电性、成本效益和相容性等特点，无论是作为导电填料还是催化剂载体，碳材料都被认为是Li-O2电池阴极设计的合适材料。碳材料对氧化还原反应有很大的催化作用，然而他们的OER是有限的。相关研究表明，无论是通过材料复合的方法开发新的工艺和配方，还是用碳材料进行表面改性，都可进一步提高OER的性能。

Ø 贵金属通常被认为是高效和昂贵的化学反应催化剂。它们具有催化活性高、抗氧化、耐腐蚀、耐高温等优良性能。其中，Au、Ag、Pt是金属-空气电池催化剂常用的贵金属，具有优良的催化性能和较高的化学稳定性。Pt族金属等贵金属的研究已有多年，特别是Pt作为ORR催化剂的应用。

Ø 虽然贵金属及其合金是电化学活性和稳定性方面最有效的催化剂，但同时研究低成本、高稳定性、高活性的电催化材料也是十分必要的。近年来，大量科学家对非贵金属基催化剂（如Fe、Ni、Co、Mn）进行了研究。它们与贵金属基电池阴极催化剂相比，价格较为低廉，性能相近甚至更优。

Ø Zn-O2电池是一种具有高能量密度的可伸缩、柔性和充电式电池，适用于未来可穿戴电子产品等电子产品的开发。

Ø Wang等人首次报道了纤维状Zn-O2电池。通过设计交叉堆积、排列和多孔的碳纳米管板充当电池阴极的催化剂层。碳纳米管板具有优异电子传输和机械性能，可使电池在拉伸和弯曲条件下具有稳定的电化学性能，并且在恒定的电流密度下具有较高的放电和充电性能。对Zn-O2电池进行测试后，确定弯曲角度为30、60、90、120和150 度时，结构都没有明显损坏。

Ø 目前，嵌入碳等活性材料构筑多孔结构的阴极催化剂仍然是一个挑战。同时具有良好力学性能的金属基纤维材料的可控制备也是一个重要问题。

Ø 近年来，Peng等报道了一种富含孔道的多孔材料制备方法，并可通过团队研发的无针静电纺丝设备批量化生产Fe3C@FeNC-CNF纳米纤维膜用于金属空气电池。

Ø 根据理论分析，Mg-O2电池可以在中性条件下提供高功率密度、高储能和放电电压。另外，金属镁具有良好的生物吸附性，对人类身体和自然环境无毒无害。

Ø 受蟾蜍卵结构启发，Cheng等人通过Fe-Nx原位耦合掺杂N的多孔碳纤维，成功地制备了OM-NCNF-FeNx纤维膜。他们的制备技术能够大量生产OM-NCNF-FeNx并将其用于Mg-O2电池阴极材料。

Ø 铝是自然界中最丰富的金属资源，且分子量很低。Al-O2电池的理论电容量为3860 Ah kg-1，仅次于Li-O2电池(2980 Ah kg-1)，因此，对于开发可长期供电的电子产品方面具有很大的潜力。

Ø 徐等开发了一种有序性交叉堆积的CNT/Ag电极用于Al-O2电池阴极。这种独特的结构及有序性的碳纳米管排列增强了电池气体扩散能力，提高了催化活性，并改善了电子传输效率。在制备过程中，以凝胶制成的电解质凝胶和弹簧状的铝金属作为空气阴极基底，并涂覆和组装了CNT/Ag复合片层材料。这样具有独特纤维形状的电池有利于织入织物中，用来编织柔性的“能源纺织品”，实验证明将两个电池装在多孔管内并依次连接，其功率密度和输出电压可提高一倍。

Ø 目前，金属-空气电池的电化学性能，包括电容量、循环性能和效率等，都需要进一步提高，特别是在设计合适的阴极材料方面。此外，开发和设计合理、高效的双功能催化剂势在必行，特别是研究具有环境友好型的阴极材料。

Ø 柔性金属-空气电池在柔性电子织物和电子系统中具有巨大的应用潜力。如何将纤维基材料有效地集成到智能设备中，以提高其灵活性、寿命和安全性，尤其是在电池频繁折叠或弯曲的情况下，是一个重要的发展趋势。

Ø 随着金属-空气电池的普及和产业化，并考虑到电池材料系统及其电解液组分的不易回收，对金属空气电池的回收利用以及报废管理是一个重大挑战。寻找安全、无害的回收利用方法，对于实现金属-空气电池的可持续利用和人类环境的保护具有重要意义。

以上研究成果以“A review on recent advancement of nano-structured-fiber-based metal-air batteries and future perspective”为题发表在期刊《Renewable & Sustainable Energy Reviews》上。第一作者为英蓝实验室博士生陈晓青，通讯作者为李好义老师，共同通讯为加拿大多伦多大学Mohini Sain教授。该研究得到了国家自然科学基金等相关经费的资助。

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https://authors.elsevier.com/a/1bhG14s9Hv-Z2I