三維微型電池負(fù)極

余彥

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，合肥 230026

三維陣列結(jié)構(gòu)電極制備及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

隨著有限的鋰資源的不斷消耗，以鈉離子電池為代表的新型可充電電池技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的研究1–3。鈉離子電池所具有的豐富資源性以及與鋰相似的物理化學(xué)性質(zhì)為其發(fā)展帶來(lái)巨大的優(yōu)勢(shì)，但是傳統(tǒng)的二維薄膜電極結(jié)構(gòu)不能滿足日益增加及多樣化的儲(chǔ)能需求。三維陣列電極結(jié)構(gòu)所具有的大比表面積、高質(zhì)量負(fù)載及充分的結(jié)構(gòu)空隙等特點(diǎn)有利于實(shí)現(xiàn)更快、更高、更穩(wěn)定的電能存儲(chǔ)4。近年來(lái)，基于此理念的電極材料研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展5,6，但其中負(fù)極材料的電化學(xué)活性、循環(huán)穩(wěn)定性仍不夠理想。因此，結(jié)合三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與材料界面/體相優(yōu)化工程是推動(dòng)鈉離子電池商業(yè)化應(yīng)用的重要一步。

蘇州大學(xué)李亮和倪江鋒課題組針對(duì)合金型電極材料銻單質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的嚴(yán)重的體積膨脹問(wèn)題，提出三維陣列結(jié)構(gòu)的思想，設(shè)計(jì)并成功制備出三角柱陣列結(jié)構(gòu)的銻電極7。納米尺寸的三角柱以及豐富的柱間空隙有效地緩解了銻在循環(huán)過(guò)程中體積變化帶來(lái)的結(jié)構(gòu)粉化作用；此外，銻單質(zhì)與金屬銅基底在退火過(guò)程中所形成的合金結(jié)構(gòu)起到了加固作用?；谝陨辖Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，金屬銻三角柱陣列實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、高效的鈉離子存儲(chǔ)。

與合金型電極材料的高電化學(xué)活性不同，轉(zhuǎn)化型電極材料通常因?yàn)榛钚缘?、倍率性差、穩(wěn)定性差等問(wèn)題而飽受詬病。對(duì)此，李亮和倪江鋒課題組在三維陣列結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用促進(jìn)離子在材料體相的擴(kuò)散傳輸，成功實(shí)現(xiàn)氧化鐵負(fù)極材料儲(chǔ)鈉活性、倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性的同步提升8。首先，他們通過(guò)簡(jiǎn)單的陽(yáng)極氧化法合成高度均勻有序的Fe2O3納米管陣列結(jié)構(gòu)，然后采用合適的硫化處理則能夠?qū)⒉糠諪e2O3轉(zhuǎn)化為FeS2，從而實(shí)現(xiàn)Fe2O3/FeS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面由于費(fèi)米能級(jí)的彎曲而生成的內(nèi)建電場(chǎng)能夠有效地促進(jìn)了鈉離子的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了Fe2O3電極材料的儲(chǔ)鈉活性、倍率性能的提升。同時(shí)，納米管結(jié)構(gòu)內(nèi)外豐富的空隙為循環(huán)過(guò)程材料膨脹提供了充分的緩沖空間，最終實(shí)現(xiàn)了氧化鐵電極材料高效穩(wěn)定的鈉存儲(chǔ)循環(huán)。

上述相關(guān)研究成果近期分別在Advanced Energy Materials、Advanced Materials期刊上發(fā)表7,8。三維陣列結(jié)構(gòu)電極的設(shè)計(jì)、制備與優(yōu)化對(duì)推動(dòng)發(fā)展高功率、高能量密度鈉離子電池系統(tǒng)具有一定的科學(xué)和實(shí)踐意義。