中大朱昌寶＆德國馬普所Maier Science綜述：電池電極的納米級電路

【引言】

開發出高性能、廉價並且耐用的電池是現如今最重要的科研方向之一。設計這樣的電池一方面需要尋找到具有所需特性（例如高電壓，高容量和足夠的穩定性）的電活性存儲材料。而另一方面，如何將這些材料與離子導電相和電子導電相組裝成高效的複合電極結構，具有同等重要的意義，因為各相的尺寸，形狀和空間分布對電極的充電和放電倍率性能具有決定性的影響。因此提高電池電極材料的性能可以從兩方面著手：新材料體系的開發以及將原有材料以適當的尺寸組裝成合適的結構。然而，對於一種確定的材料，如何從尺寸、形狀、以及各相分布等角度綜合考慮並設計出高效的複合電極結構，是十分重要且具有挑戰性的工作，目前只有少量系統的處理方法。以上問題集中表現在三個方面：（1）目前對這種複合體系的動力學機理的理解還不夠充分；（2）對於許多材料來說，其關鍵的傳輸特性沒有測量或不確定；（3）當涉及到多相以及多尺度的情況，問題會更為複雜。

【成果簡介】

基於以往的研究基礎，中山大學青年千人朱昌寶教授（第一作者）與德國馬普固體所Maier教授（通訊作者）等人在Science上發表了一篇題為「The nanoscale circuitry of battery electrodes」的綜述文章。該綜述回顧了電池研究的最新進展，並重點闡述了如何從各相的傳輸特性以及維度入手，通過納米級電化學電路的設計來優化電極動力學。之後以這些原則為主線對近些年來發展起來的電極材料的新型納米結構進行歸類。接著總結了納米結構構築過程中常用的一些微納合成手段。最後重點介紹了先進的原位表徵技術對於電池材料混合導電網路的研究進展。

該綜述主要介紹了鋰離子電池，但其設計原則同樣適用於鈉離子電池或其他的儲能體系。文章中的討論從優化電極動力學的設計原則開始，這些原理同樣可被用於評估和分類已經合成的各種納米結構體系。上述討論主要圍繞單相儲鋰機制展開，但也會涉及另外三種可能的機制：相變儲鋰，基於轉化反應的多相儲鋰和界面儲鋰。

綜述總覽圖

綜述摘要圖

電池電極、集成電路和生物電化學網路：同樣複雜的網路結構和納米級電荷傳輸。集成電路主要依靠電子傳輸；生物電化學網路主要依賴於離子移動；而電池的電極材料需要綜合載流子在電子導電相，離子導電相以及電子-離子混合導電相中的輸運。

【圖文導讀】

圖1 電池電極中的輸運過程

A）Li+和e- 通過離子導體I（藍色）和電子導體E（橙色）擴散到混合導體存儲顆粒M（綠色）的示意圖；

B）使用准一維近似的（A）的等效電路；

C）電荷在多粒子網路中的輸運。

圖2 電極材料的納米級電路設計策略 （各種情況下的圖解和實際應用範例）

A）L*eon＞>L*ion，多孔大塊碳負極；

B）L*eon＞L*ion，Li2MnO3-LiNi0.5Mn0.5O2-C正極；

C）L*eon≈L*ion，LiMn2O4-C正極；

D）L*eon＜L*ion，Na3V2(PO4)3-C鈉電正極；

E）L*eon＜＜L*ion，Li10GeP2S12-C電極。

圖3 具有各種維度的電極結構設計

(A) 分級網路結構的TiO2-C-RuO2;

(B) Sn/C中空核殼結構;

(C) 石墨烯負載的碳包覆Li2S 納米顆粒;

(D) 二維MoS2和石墨烯複合結構;

(E) Fe3O4包覆的Cu 納米線;

(F) 單層MoS2 納米點嵌入一維碳納米線結構;

(G) Sn顆粒嵌入多孔碳納米線。

圖4 電池研究中的先進原位表徵技術

(A) 原位方法概述；

(B) 原位Scanning transmission x-ray microscopy技術對LiFePO4相變與擴散的研究；

(C) 原位X-ray tomographic microscopy 技術對SnO 顆粒充放電過程的研究；

(D) 原位Transmission electron micrograph 技術研究嵌入碳納米管的 Si 納米顆粒的嵌鋰行為；

(E) 原位Scanning electron micrograph 技術研究V2O5 納米線的嵌鋰與擴散行為。

表1 鋰在25℃下在各種材料中的有效化學擴散率

表2 納米結構的製備方法

【小結】

由於電池材料的可選範圍以及儲能機制的限制，目前電池材料的理論能量密度被限制在可見範圍內，但功率密度的實質性改進仍然是可以實現的。由於電活性物質中的固態輸運較為緩慢，因此需要納米技術來提供解決方案。以上所述的設計原則理論上為複雜的電化學電路提供了一個概念框架，而在實踐中，先進的製備技術和原位表徵方法對於優化電極結構則是必不可少的。

文獻鏈接：The Nanoscale Circuitry of Battery Electrodes.（ Science, 2017, DOI:10.1126/science.aao2808.）

課題組簡介：

朱昌寶博士，中組部第十三批「國家青年千人」，2016年中山大學「百人計劃」引進人才，材料科學與工程學院教授，博士生導師。

朱昌寶博士具有國際化的教育背景。本科就讀於重慶大學應用化學專業，並以專業第一的成績保送到廈門大學攻讀電化學方向碩士，導師為楊勇教授 （99年國家傑青）。廈大畢業之後，獲得法國能源材料方向的第二個碩士學位（該項目由歐洲鋰電聯盟-ALISTORE主導，負責人為Prof.JeanMarie Tarascon和Prof. Christian Masquelier等），並獲Erasmus Mundus獎學金資助。博士在德國的馬普固體所攻讀，導師是Joachim Maier教授（馬普固體所所長、國際固態離子學學會主席）。博士期間獲國家優秀自費留學生獎學金。博士畢業後繼續與Joachim Maier教授合作在馬普所從事博士後研究。

本文由朱昌寶教授課題組供稿，高分子組Andy編譯，材料牛整理編輯。

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