Advanced Functional Materials:自修复材料在储能器件的应用

人类对不可再生资源的过度开发和不合理利用带来了严重的能源短缺和环境问题。近年来,为了充分开发和利用可再生资源,先进的储能器件(包括锂离子电池、锌离子电池、超级电容器等)得到了快速的发展。然而,这些储能器件仍面临着一些的挑战。例如,储能器件中的电极材料(包括硅、锡、金属氧化物和金属锂等)在循环过程中会由于大量金属离子的嵌入/脱出而反复经历体积膨胀/收缩,导致产生裂纹和粉化,从而降低储能器件的循环性能。另一方面,柔性/可穿戴电子产品经常受到诸如撞击、弯曲、拉伸、折叠和扭曲等复杂变形而导致其储能器件内部的损伤。这些损伤通常难以被检测和修复,但是将导致储能器件的结构破坏、漏液、短路甚至爆炸。如何制造耐形变、耐磨损的储能器件是该领域面临的关键挑战之一。因此,一个可靠的储能器件不仅要有良好的电化学性能,而且要具有承受体积变化和复杂变形,甚至是修复损伤的能力。受此启发,近年来科学家们利用自修复材料设计制备了具有自修复能力,能显著提高耐用性和安全性的储能器件。

近期,清华大学深圳国际研究生院李宝华教授团队在Advanced Functional Materials上发表了题为“Self-Healing Materials for Energy-Storage Devices” (DOI:10.1002/adfm.201909912) 的综述文章,回顾总结了近年来自修复材料在储能器件(包括各种电池和超级电容器)中的应用。该综述首先介绍了本征型和非本征型自修复材料及其工作原理。然后,根据自修复作用原理,包括氢键、静电作用和硼酸酯键等,详细介绍了自修复材料在储能器件不同组分(电极、电解质和外壳等)中发挥的作用和机理,系统阐述了不同自修复原理在自修复储能器件设计上的利弊,并比较了不同自修复储能器件的自修复和电化学性能,为新型自修复储能器件的设计制备提供了思路和方法。在此基础上,讨论并总结了自修复储能器件的关键挑战和未来的重要发展方向。