随着便携电子设备与电动汽车的快速发展，提升锂离子电池的性能成为关键。然而，商用石墨负极的理论比容量有限，制约了电池能量密度的进一步提升。ZnO因高达978 mAh/g的理论比容量、低成本、环境友好等优势，成为极具潜力的下一代锂离子电池负极材料。然而，ZnO电极在充放电过程中会发生严重的体积变化（膨胀率约160 %），将导致电极材料粉化，甚至从集流体上脱落，造成容量的快速衰减。其次，ZnO的本征电子电导率较低，严重限制了充放电速率，影响电池的快充性能，限制其实际应用。
鉴于此，长江大学肖围教授团队通过静电纺丝技术结合热解工艺，构筑了氮掺杂碳纳米纤维封装ZnO纳米颗粒的复合负极材料。该研究通过在前驱体溶液中引入阳离子表面活性剂CTAB，利用其静电排斥作用调控Zn2+离子的配位环境，实现ZnO纳米颗粒的尺寸控制与均匀分散。特殊的结构有效缓解了电极材料在循环过程中的体积膨胀，并显著提升电导能力与反应可逆性，从而大幅优化了材料的储锂性能。相关研究内容以“Surfactant-assisted synthesis of ZnO nanoparticles embedded into carbon nanofibers anode materials through electrospinning for high-performance lithium-ion batteries”为题目发表于期刊《Journal of Energy Storage》上。
图1：ZnO@NC复合纳米纤维的合成示意图。
ZnO@NC-CTAB复合材料通过结合静电纺丝与热解过程制备而成，其制备流程如图1所示。在该设计中，PAN与PVP作为静电纺丝的碳源，构成了负载ZnO颗粒的纤维载体。其中，阳离子表面活性剂CTAB带正电的季铵盐基团与Zn2+之间存在静电排斥作用，促使Zn2+在前驱体溶液中实现高度均匀的分散。同时，CTAB在热解过程中不仅可转化为均匀的氮掺杂碳包覆层，有效抑制了ZnO颗粒在高温下的迁移与团聚，还显著提升了碳基体的电子电导率。这种结构优势为锂离子储存提供了更多活性位点，从而共同提升了材料的电化学性能。
图2：不同表面活性剂对ZnO@NC复合纳米纤维的形貌比较。
如图2 (g)所示，经高温热解后的ZnO@NC-CTAB复合纳米纤维呈现出相互交联的三维网络结构，为电子传输提供了快速通道。得益于阳离子表面活性剂CTAB的引入，纤维平均直径从367 nm减小至320 nm，有效缩短了离子/电子在纤维径向的传输路径。此外，图2 (l)表明，内部封装的ZnO纳米颗粒尺寸显著细化且分布更为均匀，从而暴露出更多的储锂活性位点，有效提升了材料的储锂能力。
图3：不同表面活性剂对ZnO@NC复合纳米纤维的物相组分比较。
由图3 (a)所示，阳离子表面活性剂CTAB的胶束作为软模板导向ZnO的成核与生长，有效提升了纳米颗粒的结晶度与分散性。由图3 (b-c)所示在碳化过程中，CTAB作为原位氮源实现掺杂，此过程诱导碳基质产生更多缺陷，提高了碳层的无序度，从而为电子传输提供了更多活性位点与传导路径，显著增强了材料的整体导电性。
图4：不同表面活性剂对ZnO@NC复合纳米纤维的电化学性能比较。
电化学测试表明，ZnO@NC-CTAB复合负极材料在半电池中展现出优异的电化学性能。在100 mA/g的电流密度下循环100次后，其可逆放电比容量保持在875.5 mAh/g，相较于第二圈其保持率高达99% (图4 a)。在倍率性能测试中，其在2000 mA/g的大电流下，放电比容量仍能达到531.8 mAh/g；当电流密度恢复至100 mA/g后，容量也得以迅速恢复，显示出出色的结构稳定性 (图4 b)。此外，该电极在1000 mA/g的高电流下经历1000次长循环后，仍能维持480.6 mAh/g的高容量 (图4 h)。其卓越的性能主要归因于CTAB的引入有效细化了ZnO纳米颗粒，并提升了碳基质的导电性，从而显著增强了材料在充放电循环过程中的反应可逆性。该研究为设计高性能锂离子电池负极材料提供了新的思路。
论文链接： https://doi.org/10.1016/j.est.2025.119020
人物简介：
肖围：教授，博士生导师，湖北省首届青年拔尖人才，湖北省自然科学基金杰青获得者；中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员，中国仪表功能材料学会储能与动力电池及其材料专业委员会委员；《Frontiers in Chemistry》期刊Guest associate editor，《石油化工高等学校学报》期刊编委，《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》、《Rare Metals》、《Chinese Chemical Letters》和《矿冶工程》等期刊青年编委；主持国家自然科学基金3项；以第一或通讯作者发表SCI检索论文70余篇；获授权发明专利10项，中国有色金属工业科学技术进步奖一等奖，湖北省化学化工青年创新奖。
