液固界面组装策略制备用于电化学能源体系的自支撑分层软物质薄膜器件

目前自支撑分层薄膜器件受到广泛关注,其中以二维材料,例如石墨烯、氮化硼、黑磷、聚合物、过渡金属碳化物等作为主要结构单元的器件被应用于电子、催化、传感、能源存储和转化领域。分层结构可以提供坚固稳定的物理框架,但是被制备成能源器件中的电极时容易发生结构堆叠,从而导致活性面积的明显降低、离子扩散路径的增长、离子传输速率的减慢。因此,需要开发具有独特物理化学性质和形态稳定性的纳米材料用于构建分层器件。诸如碳基材料,大分子和聚合物等软物质可以提供丰富的表面化学位点,这通常是能源体系中界面反应和快速电荷转移所必需的;然而,该类材料结构缺乏机械刚性和高稳定性。具有分层结构的功能化软物质复合材料在能源应用方面具有独特的优势。迄今为止,已经开发了多种制备分层软物质复合材料的方法。因为反应界面为分层结构的合成和调控提供了丰富而关键的空间,两相界面在合成过程中起着至关重要的作用。借助界面组装策略设计具有分层结构的软物质复合材料十分必要。

近日,复旦大学孔彪研究员团队系统地总结了利用液固界面组装策略制备用于电化学能源体系的自支撑分层软物质薄膜器件方面的工作,阐述了七种主要的液固界面组装方法、合成机制、功能化策略,以及该类薄膜器件在五种典型能源体系中的应用(图1),包括超级电容器、锂/钠金属电池、锂/钠离子电池、锂硫电池、水的电化学/光电化学分解等,并对该领域今后的发展方向进行了探讨与展望。

图1.软物质的液固界面组装制备自支撑薄膜及其在电化学能源器件中的应用

文末,作者展望了未来自支撑分层软物质薄膜器件应用的潜在方向(如图2)。强调了通过设计自支撑分层软物质薄膜器件,以有效地解决能量存储,转换和生产技术的实际应用挑战。通过探索分层结构与能源相关应用性能之间的相关性,本文提出了结构特征对性能影响的深入理解,以更好地设计分层纳米结构来满足特定应用的要求。我们认为,先进的表征技术可以进一步推动这一领域的发展。相关文章在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201804005)上。