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

材料科学 等轴晶 热导率 纳米纤维 微尺度化学 复合材料 气凝胶 纳米技术 成核 微观结构 数学教育 数学 化学 有机化学
作者
Lei Li,Yiqian Zhou,Yang Gao,Xuning Feng,Fangshu Zhang,Weiwei 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 [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41467-023-41087-y
摘要

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 Al2O3·SiO2 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 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 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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