锂离子电池（LIBs）具有输出电压高、循环寿命长、安全无污染等优点，作为当前市场的主流电化学储能产品，仍是未来储能技术领域发展的核心器件。电极材料作为锂离子电池的关键组件之一，已达理论极限的商用石墨负极难以满足蓬勃发展的时代要求。此外，传统的储能器件普遍具有机械刚性，无法应对社会发展对可穿戴柔性产品的需要。因此，开发和利用轻质碳基纤维电极材料是一种很有潜力的研究领域。

基于静电纺丝技术制得的一维纳米纤维无纺膜，对推动柔性自支撑电极材料领域的发展十分重要。得益于石墨烯独特的结构和表面状态，二维结构在储能应用中展现出丰富的反应活性位、快速的离子扩散动力学、优异的电子输运特性和独特的各向异性力学性质等，成为构建复合材料理想的结构功能单元。因此，在纳米纤维中有效构建二维形态，以期发展出兼具一维和二维形态的结构一体化纤维电极，对推进LIBs的发展具有重要的科学意义与应用价值。

近期，受神经元结构特征和功能行为启发，陕西师范大学张航助理研究员和湖南大学张冠华教授合作，提出仿生类神经元纤维电极设计，通过静电纺丝技术实现二维金属有机框架在聚丙烯腈纤维中的径向展开，构建出“一维导电骨架（类轴突）+二维活性单元（类胞体）”的类神经元结构纤维电极（NRN-ONFs）。该仿生结构同步解决了纤维电极活性界面不足、电子/离子传输迟滞、体积应变累积三大痛点，有效提升了LIBs在充放电过程中的倍率性能和循环稳定性，为高性能柔性锂离子电池负极提供全新范式。相关研究内容以“Radially unfolded nanosheets in polyacrylonitrile nanofibers: a biomimetics construct of high-performance anode for lithium-ion batteries”为题发表在期刊《Carbon》上。

图1. 类神经元结构纤维电极的形态和功能特征示意，类神经元电极材料形貌图

图2. 类神经元结构纤维电极的制备过程和结构表征

通过扫描电镜和透射电镜表征，表明NRN-ONFs纤维电极具有一维和二维结构相互连接的形态，其中活性金属氧化物均匀的分布在二维结构中。通过在维持原一维纤维穿插的三维网状骨架上引入二维单元，创造性的将反应中心和导电通路分开，有效提高电极材料在电化学储锂中的电子/离子传输效率和体积应变能力，有利于提升LIBs在充放电过程中的倍率能力和循环稳定性。

图3. 类神经元结构纤维电极的锂离子电池性能

得益于类神经元结构纤维电极特殊的成分分布和结构设计，NRN-ONFs负极在0.1 A g⁻¹下首圈可逆容量达1424.56 mAh g⁻¹，300次循环后容量仍能保持1087.66 mAh g⁻¹；在6.4 A g⁻¹高倍率下仍具有300.51 mAh g⁻¹的可逆容量。将其与NCM 811正极匹配组装全电池，循环测试70次后容量保持率高达97.2 %，展示出良好的实际应用潜力。

图4. 类神经元结构纤维电极的动力学分析

通过原位电化学阻抗谱（EIS）和弛豫时间分布（DRT）分析，揭示了NRN-ONFs在循环中能形成稳定的固体电解质界面（SEI）膜。恒电流间歇滴定技术（GITT）表明NRN-ONFs良好的锂离子扩散能力（DLi⁺），可为优异倍率性能下的电极反应动力学提供保障。将NRN-ONFs直接作为自支撑电极仍能保持优异的电化学性能，为可穿戴设备轻量化、高能量密度的电极材料提供潜在的解决方案。

论文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0008622325001617

人物简介：

张航：陕西师范大学助理研究员，硕士生导师，从事新型功能纳米材料在储能领域的应用研究，相关成果以第一或通讯作者在纳米研究等高水平期刊发表学术论文10余篇，总被引1000余次，获得2项国家发明专利授权。主持陕西省自然科学基金面上和青年项目。

张冠华：湖南大学教授，博士生导师，入选国家高层次人才（青年）、湖南省杰青，从事能源功能微纳结构设计、加工及应用研究，相关成果以第一或通讯作者在先进材料等高水平期刊发表学术论文60余篇，包括10篇“ESI高被引论文”，总被引6000余次，H因子44，入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家。主持国家级科研项目7项（含重点项目4项）。担任中国微米技术学会微纳执行器与微系统分会理事、国际正义学会青年编委、机械工程学会极端制造分会委员。荣获湖南省优秀创新创业导师（2次）、湖南省研究生优秀教学团队、湖南省教学成果奖等荣誉。