Advanced Energy Materials:微尺度下调控固-液界面限域可溶性氧化还原物质助力下一代储能技术发展

在能源危机和环境污染的大环境下,研究者们致力于开发高比能量、长循环寿命、低成本以及高安全性的下一代储能技术。基于氧化还原活性电解液的超级电容器(redox ECs)、金属-碘(metal-iodine)电池、金属-硫(metal-sulfur)电池作为下一代储能装置,涉及可溶性氧化还原物质(SRSs)的液相反应,具有高能量密度及快速反应动力学。然而实际运用时,这些新型储能技术均存在一个不可避免的问题,即电化学过程中氧化还原物质的高溶解性引起的穿梭效应导致严重自放电、快速容量衰减以及低库伦效率,阻碍了下一代储能技术的进一步发展。因此迫切需要有效的策略限域SRSs,以解决穿梭效应带来的问题。近些年经不断的理论与实践探索,研究者们提出了多种解决方案抑制电化学过程中SRSs在电解液中的扩散与穿梭,尤其是聚焦在分子/原子尺度对电极-SRSs(固-液)界面调控方面。功能化后的固-液界面往往呈现与众不同的物理化学特性,从而抑制了穿梭效应的产生。得益于此,微尺度下固-液界面调控作为SRSs有效限域手段受到了广泛关注。

为此,南京理工大学纳米能源材料(NEM)课题组夏晖教授、翟腾教授、孙硕博士等人对微尺度下调控固-液界面限域SRSs在下一代储能技术(redox ECs、metal-iodine/sulfur 电池)的应用进行了全面梳理,并从机理上深入阐述了针对功能化界面与SRSs限域之间的关联。综述首先总结了三种储能技术的运行机制以及相应穿梭效应的形成机理。随后总结分析了微尺度下界面调控的不同方法,依据调控机理的不同,调控策略可以划分为以下五类:固态络合作用、分子结构调控作用、极性提升作用、缺陷引入作用以及共轭作用。

对于固态络合作用,通过化学反应形成可逆的与表面结合的氧化还原络合物,在电化学过程中实现液-固(溶-不溶)转化,从而建立稳定的电极-SRSs相互作用,抑制穿梭效应。针对分子结构调控,可以有效调节SRSs自身物理特性,如空间体积大小、电子密度分布等,在电极和SRSs之间产生强的相互作用。关于极性提升方面,通过表面异质原子掺杂和化学基团修饰等方法增强固液界面极性-极性相互作用以及化学吸附作用,有助于提高对SRSs的吸附能力。有关缺陷引入,含有缺陷的金属化合物可以提供丰富吸附位点,增强对SRSs的固定作用。例如氧缺陷位置富含局域电子,可以作为SRSs的强吸附位点。而且氧缺陷可以有效捕获电子和空穴,极大地抑制了载流子的复合,因而降低了界面电荷传输能垒,加速了反应动力学,进一步抑制了SRSs的扩散。就共轭作用方面,电极与SRSs之间的acceptor-donor关系能促进电子离域而引起连续的电荷转移,增强对SRSs的限域作用。

最后作者认为现阶段的成果证实微尺度下调控电极-SRSs界面是促进下一代储能技术进一步发展的关键所在,而结合多种策略设计固-液界面限域SRSs,可有效提高储能装置的比容量、循环稳定性、库伦效率。此外,该综述从调控固-液界面实现SRSs多层吸附增加活性物质负载量、采用多种原位表征手段动态监测与分析界面反应开发高效界面限域方法等角度展望了固-液界面调控的研究方向,为下一代高能量密度储能技术的发展以及商业化进程提供了有力的指导。

相关成果已发表在Advanced Energy Materials上(DOI: 10.1002/aenm.202003599)。