三維微型電池負極

余彥

中國科學技術大學材料科學與工程系，合肥 230026

三維陣列結構電極制備及結構優(yōu)化。

隨著有限的鋰資源的不斷消耗，以鈉離子電池為代表的新型可充電電池技術得到了越來越廣泛的研究1–3。鈉離子電池所具有的豐富資源性以及與鋰相似的物理化學性質(zhì)為其發(fā)展帶來巨大的優(yōu)勢，但是傳統(tǒng)的二維薄膜電極結構不能滿足日益增加及多樣化的儲能需求。三維陣列電極結構所具有的大比表面積、高質(zhì)量負載及充分的結構空隙等特點有利于實現(xiàn)更快、更高、更穩(wěn)定的電能存儲4。近年來，基于此理念的電極材料研究已經(jīng)取得了一定的進展5,6，但其中負極材料的電化學活性、循環(huán)穩(wěn)定性仍不夠理想。因此，結合三維結構設計理念與材料界面/體相優(yōu)化工程是推動鈉離子電池商業(yè)化應用的重要一步。

蘇州大學李亮和倪江鋒課題組針對合金型電極材料銻單質(zhì)在循環(huán)過程中發(fā)生的嚴重的體積膨脹問題，提出三維陣列結構的思想，設計并成功制備出三角柱陣列結構的銻電極7。納米尺寸的三角柱以及豐富的柱間空隙有效地緩解了銻在循環(huán)過程中體積變化帶來的結構粉化作用；此外，銻單質(zhì)與金屬銅基底在退火過程中所形成的合金結構起到了加固作用?；谝陨辖Y構特點，金屬銻三角柱陣列實現(xiàn)了穩(wěn)定、高效的鈉離子存儲。

與合金型電極材料的高電化學活性不同，轉(zhuǎn)化型電極材料通常因為活性低、倍率性差、穩(wěn)定性差等問題而飽受詬病。對此，李亮和倪江鋒課題組在三維陣列結構的基礎上，利用異質(zhì)結內(nèi)建電場的作用促進離子在材料體相的擴散傳輸，成功實現(xiàn)氧化鐵負極材料儲鈉活性、倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性的同步提升8。首先，他們通過簡單的陽極氧化法合成高度均勻有序的Fe2O3納米管陣列結構，然后采用合適的硫化處理則能夠?qū)⒉糠諪e2O3轉(zhuǎn)化為FeS2，從而實現(xiàn)Fe2O3/FeS2異質(zhì)結構的構建。異質(zhì)結構界面由于費米能級的彎曲而生成的內(nèi)建電場能夠有效地促進了鈉離子的傳輸，從而實現(xiàn)了Fe2O3電極材料的儲鈉活性、倍率性能的提升。同時，納米管結構內(nèi)外豐富的空隙為循環(huán)過程材料膨脹提供了充分的緩沖空間，最終實現(xiàn)了氧化鐵電極材料高效穩(wěn)定的鈉存儲循環(huán)。

上述相關研究成果近期分別在Advanced Energy Materials、Advanced Materials期刊上發(fā)表7,8。三維陣列結構電極的設計、制備與優(yōu)化對推動發(fā)展高功率、高能量密度鈉離子電池系統(tǒng)具有一定的科學和實踐意義。