Advanced Materials:溶剂蒸发引起的垂直取向在二维纳米片电池电极实现定向离子传输

纳米材料拥有许多作为优质电池电极材料的性质,并被认为是储能材料的未来之星。例如二维层状纳米片具有非常高的电化学活性和快速离子扩散通道,造就了其在理想条件下较高的能量密度和功率密度。然而,二维纳米结构由于其高比表面积以大高宽比非常容易堆积,在电极制备中,会堆积成随机甚至是平行于导电集流体的致密层,非常不利于离子从电解液向极片内部有效传输,尤其是在电极很厚的情况下。近年来,随着对高能量储能和快速充放电技术的需求不断加大,如何在大载量电极中实现离子的快速传输成为电池领域的研究热点。鉴于先前的经验,在二维纳米片组装的宏观结构中造微/纳米孔不失为一种有效手段,但这种方法会牺牲不少能量密度,对于本就“骨质疏松”的纳米材料来说更是是雪上加霜。

既然二维纳米片倾向于紧密堆积并横躺在集流体上,那如果有方法能让其立起来即垂直于集流体堆积,则既可以实现高能量密度又有利于高功率密度的定向离子传输。美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华课题组基于早期人们在金纳米棒自组装上的工作,利用溶剂蒸发效应制作出垂直排列的二维磷酸氧钒纳米片电极,展现出在较高载量时仍不逊于该材料在理想条件下(低载量)的最佳性能。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201907941)上。

溶剂蒸发本是制作电池电极必需的一个步骤,但一直以来人们并没有特别关注该过程对电极材料,特别是各向异性的纳米材料的取向带来的影响。该研究团队发现,当利用一种混合溶剂混合磷酸氧钒纳米片和导电剂并使其快速蒸发时,纳米片会反常地自发垂直排列在集流体上。这种有序排列被推测是由于溶剂快速蒸发而形成的一种非热力学稳定结构,并具有非常高的堆积密度和有利于离子纵向传输的低曲折通道。这个特性不仅清楚得表现在对该电极的直接结构表征上,也被离子传输的模拟,所组装的电池性能,以及原位电化学表征所证实。这种看似简单但非常有效的溶液蒸发法不仅在科学原理上非常有意思,也对纳米材料在电池的实际应用提供了一种思路。该科研团队也相信,虽然方法本身也有一定局限性,但有潜力发展成为一种对二维纳米片甚至其他纳米材料普适之道,前提是未来有更多对其中所涉及的物理/化学过程的微观理解。