電化學驅(qū)動器的變形機制研究取得新進展

超級電容器通過電解質(zhì)離子在電極/電解質(zhì)界面上可逆的電化學作用來存儲電荷。這種電化學行為已被廣泛應用于電能到機械能的轉(zhuǎn)換，該類器件被稱為電化學驅(qū)動器(EC-actuator)。由于具有低變形電壓、優(yōu)異的變形能力、輕質(zhì)和易加工等特點，電化學驅(qū)動器在機器人和人工智能領域引起了極大關(guān)注。MnO2作為最具代表性的氧化還原贗電容材料，在電化學驅(qū)動器上有明顯的潛在應用。

中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室研究員閻興斌課題組多年來致力于超級電容器電極材料制備、器件組裝與儲能機制的研究。最近，該團隊制備了一種自支撐的MnO2/Ni雙層電極薄膜材料。該電極在電化學充電放電過程中，展示出快速、大量和可逆的變形。

通過分析電極的電化學數(shù)據(jù)和變形過程，發(fā)現(xiàn)該雙層薄膜的變形和MnO2的電荷儲存過程有著密切的關(guān)系。使用原位原子力顯微鏡、原位拉曼光譜測試和第一性原理計算分析發(fā)現(xiàn)：在電化學掃描過程中，MnO2材料的本征氧化還原贗電容行為(Mn元素價態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換)，伴隨著電解液中Na+離子的嵌入脫出，導致了MnO2微米球的可逆膨脹與收縮。這種體積變化，與非活性并且沒有變化的金屬Ni層對抗，引起了自支撐的MnO2/Ni雙層電極薄膜電極的可逆變形。這與有限元分析仿真得到的結(jié)果一致，表明了機制研究的準確性。

該研究實現(xiàn)了氧化還原贗電容性的MnO2材料新的應用，并且系統(tǒng)梳理了電化學電容器和電化學驅(qū)動器兩種電化學器件之間的內(nèi)在聯(lián)系。更重要的是，該項工作對未來開發(fā)更優(yōu)異的電化學驅(qū)動器具有重要意義。