納米結(jié)構(gòu)已成為控制材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素。開(kāi)發(fā)具有多種化學(xué)成分和形態(tài)的新型納米材料能夠制造具有各向異性結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電氣和機(jī)械性能的電極。

通過(guò)利用流體力學(xué)定律，微流控可以幫助研究人員制造出具有獨(dú)特尺寸和精確控制形狀的納米顆粒，從而為設(shè)計(jì)下一代大功率儲(chǔ)能設(shè)備開(kāi)辟了可能性。

電力對(duì)現(xiàn)代社會(huì)至關(guān)重要，是全球使用的主要電力形式之一。高效的存儲(chǔ)和電力供應(yīng)是許多家庭和工業(yè)應(yīng)用必不可少的技術(shù)，例如便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備和電動(dòng)汽車。

有幾個(gè)因素支撐著納米材料在儲(chǔ)能應(yīng)用中的不斷增長(zhǎng)。納米結(jié)構(gòu)是提高各種材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。這是通過(guò)利用各種電荷存儲(chǔ)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如基于表面的離子吸附、贗電容和擴(kuò)散限制插層過(guò)程。

最近開(kāi)發(fā)的新型高性能納米材料，如氧化還原活性過(guò)渡金屬碳化物（MXenes），產(chǎn)生了導(dǎo)電率超過(guò)碳和其他傳統(tǒng)材料的新型電極材料。此外，創(chuàng)建碳-硅和碳-硫等納米復(fù)合混合結(jié)構(gòu)，以及開(kāi)發(fā)通用的納米結(jié)構(gòu)方法，可以為實(shí)現(xiàn)下一代高功率和長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能器件提供解決方案。

與傳統(tǒng)的電池和超級(jí)電容器材料相比，納米材料提供了大大改善的離子傳輸和電子導(dǎo)電性。這些特性使基于納米材料的電極能夠承受高電流和多次充放電循環(huán)，從而為高效儲(chǔ)能提供了有前景的解決方案。

然而，與在儲(chǔ)能應(yīng)用中使用此類材料相關(guān)的許多挑戰(zhàn)仍未解決。目前，多壁碳納米管添加劑和碳包覆硅顆粒（用于鋰離子電池電極）是唯一用于商業(yè)設(shè)備的納米材料。

與傳統(tǒng)制造工藝不同，使用納米材料構(gòu)建復(fù)雜的電極架構(gòu)需要?jiǎng)?chuàng)新的制造方法，例如 3D 打印、溶液自組裝、原子層沉積和其他先進(jìn)技術(shù)，以確保對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行精確控制。這種先進(jìn)的方法還可以為消費(fèi)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)靈活、可拉伸和可穿戴的能量存儲(chǔ)和收集解決方案。

微流控利用特定幾何形狀的微觀通道和腔室中流體的運(yùn)動(dòng)和混合，將樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測(cè)集成在一個(gè)設(shè)備中。由于微流控反應(yīng)器中毛細(xì)管的小尺寸以及由此產(chǎn)生的大表面積與體積比，微流控技術(shù)提供了克服傳統(tǒng)納米材料合成方法的一些最關(guān)鍵缺點(diǎn)的方法。

這些特征允許快速和均勻的傳質(zhì)以及對(duì)合成納米材料特性的卓越控制。此外，這種微型反應(yīng)器的尺寸減小和獨(dú)特的幾何形狀需要更小的試劑體積，并且能夠精確控制流體混合、改善傳熱、易于自動(dòng)化并大大縮短反應(yīng)時(shí)間。

與傳統(tǒng)納米粒子合成方法相比，使用微流控方法的優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致在制備高度穩(wěn)定、均勻、單分散的納米材料中更多地使用微流控。

通過(guò)采用多相微流控系統(tǒng)，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的研究人員合成了多種基于導(dǎo)電聚合物和金屬有機(jī)骨架前體的多孔納米顆粒，這些納米顆粒具有高導(dǎo)電性和大電容。

類似的微流控方法使北京清華大學(xué)的一個(gè)研究小組能夠制造出尺寸分布均勻、超薄層狀結(jié)構(gòu)、大比表面積和出色電化學(xué)活性的還原氧化石墨烯和二硫化鉬納米片。這種納米片因其可調(diào)節(jié)的帶隙、低骨架密度以及良好的電子傳導(dǎo)和離子存儲(chǔ)物理化學(xué)性質(zhì)而被認(rèn)為是超級(jí)電容器和電池的理想電極材料。

通過(guò)進(jìn)一步完善納米級(jí)合成的微流控方法，青島大學(xué)和中國(guó)北京理工大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種微流控芯片，可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)適合大規(guī)模生產(chǎn)的石墨烯基纖維超級(jí)電容器。

對(duì)還原氧化石墨烯和海藻酸鈣-聚乙烯醇之間反應(yīng)的卓越控制產(chǎn)生了一種基于納米纖維的超級(jí)電容器裝置，其中海藻酸鈣-聚乙烯醇電解質(zhì)本質(zhì)上由兩個(gè)還原氧化石墨烯電極層壓，并直接在微流控中添加碳納米管渠道。

研究人員還證明，該技術(shù)可以擴(kuò)展到微流控 3D 打印方法，能夠制造具有超過(guò) 109 mWh cm -3的超高能量密度和在循環(huán)耐久性下無(wú)與倫比的機(jī)械穩(wěn)定性的基于 2D 微織物的超級(jí)電容器。

這些有希望的結(jié)果表明，微流控技術(shù)有可能在未來(lái)主導(dǎo)儲(chǔ)能領(lǐng)域，促進(jìn)納米和微米構(gòu)件、一維微纖維和二維微纖維的合成，用于大規(guī)模生產(chǎn)纖維基超級(jí)電容器和電池。