Large-scale assembly of isotropic nanofiber aerogels based on columnar-equiaxed crystal transition

材料科学 等轴晶 各向同性 纳米纤维 复合材料 纳米尺度 Crystal(编程语言) 比例(比率) 纳米技术 微观结构 计算机科学 物理 光学 量子力学 程序设计语言
作者
Lei Li,Yiqian Zhou,Yang Gao,Xuning Feng,Fangshu Zhang,Wei-Wei Li,Bin Zhu,Ze Tian,Peixun Fan,Minlin Zhong,Huichang Niu,Shanyu Zhao,Xiaoding Wei,Jia Zhu,Hui Wu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:39
标识
DOI:10.1038/s41467-023-41087-y
摘要

Abstract Ice-templating technology holds great potential to construct industrial porous materials from nanometers to the macroscopic scale for tailoring thermal, electronic, or acoustic transport. Herein, we describe a general ice-templating technology through freezing the material on a rotating cryogenic drum surface, crushing it, and then re-casting the nanofiber slurry. Through decoupling the ice nucleation and growth processes, we achieved the columnar-equiaxed crystal transition in the freezing procedure. The highly random stacking and integrating of equiaxed ice crystals can organize nanofibers into thousands of repeating microscale units with a tortuous channel topology. Owing to the spatially well-defined isotropic structure, the obtained Al 2 O 3 ·SiO 2 nanofiber aerogels exhibit ultralow thermal conductivity, superelasticity, good damage tolerance, and fatigue resistance. These features, together with their natural stability up to 1200 °C, make them highly robust for thermal insulation under extreme thermomechanical environments. Cascading thermal runaway propagation in a high-capacity lithium-ion battery module consisting of LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 cathode, with ultrahigh thermal shock power of 215 kW, can be completely prevented by a thin nanofiber aerogel layer. These findings not only establish a general production route for nanomaterial assemblies that is conventionally challenging, but also demonstrate a high-energy-density battery module configuration with a high safety standard that is critical for practical applications.
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