它山之石可以攻玉:电极基体概念或为电池结构和性能的调控提供新思路

电极作为储能器件的核心组成部分,一般都需要集合多种功能于一体,以实现其电化学过程的正常运行。这些功能主要包括离子传输,电子传输,离子储存和释放以及必要的机械和尺寸稳定性。由于单一材料本身在功能方面的局限性,这意味着电极通常只能以多组分体系的形式存在。这也从根本上决定了电极的微观结构:各个固体组分(活性物质,导电剂以及集流体)以粘接剂为桥梁,组成多孔的复合材料。而离子的传输最终以液体电解质渗透电极的孔洞结构来实现。尽管这一经典的结构模型仍然是储能器件发展的一块基石,然而其与生俱来的缺陷随着人们对电池性能的全方位追求暴露得越来越明显。比如,由于各固体组分之间极其微弱的相互作用,其界面的不稳定性使得电极总体上非常脆弱,这将无法满足柔性器件发展的需要。同时,界面的不稳定性对器件储能性能的稳定性也造成了很大负面影响,而这在高容量电极体系(比如硅,硫等具有明显体积变化的体系)中体现的尤为明显。另外,随着储能器件的发展,电极内部的科学问题越发复杂(比如活性物质性能的发挥可能需要从其环境中获得更多保护或支持),并且通常与结构的复杂性和不稳定性耦合在一起,这必将成为电极结构设计与性能优化的一大障碍。

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基于传统多孔电极面临的这些挑战性问题,华盛顿州立大学仲伟红教授和王宇助理研究教授受聚合物纳米复合材料中基体概念的启发,首次为电极提出了电极基体的设想。该团队基于一种口香糖式聚合物电解质,制备出一种具有强粘接性的双导纳米复合材料,最终成功地将电极基体概念具体化。其提出的电极基体概念从功能上高度集合电解质功能(离子传输),导电剂功能(电子传输)以及粘接剂功能(组分粘合),同时具备优异的力学柔顺性甚至加工性能。这一概念以及其具体材料的实现对于储能器件的发展具有重大意义。主要体现在以下几个方面:首先,电极基体的概念对电极的结构进行了大大的简化:由传统的多孔非连续结构,转变成无孔连续结构。其次,对性能优化提出了新思路。传统的性能提升往往针对一个组分(活性物质,粘接剂或是电解质),而电极基体作为一种纳米复合材料,其性能优化途径非常灵活。最后,电极基体概念可以让电极的结构和性能设计变得非常灵活和丰富。比如电极可以设计成任意形状,并且柔顺性好。这些无疑对电池技术发展具有深远的影响。另外,电极基体的概念对于电极的高效率制备以及提高储能器件的安全性都提供新的可能。

相关论文发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601767)上。