科学家研发“仿心脏”电极材料，促进离子流传输，解决钠离子电池离子传输动力学缓慢问题

科技 2024-11-23 16:58 北京

近日，大连理工大学材料科学与工程学院副院长胡方圆教授和团队研发出一种“仿心脏”式电极材料，其呈现出节律性的体积变化，基于微应力泵其能促进离子流快速传输，解决了钠离子电池中 Na⁺传输缓慢问题。所构筑的 Ah 级软包电池，在 1 C 电流密度下经过 500 次循环充放电过程后，其容量保持率为 90.2%。

图 | 胡方圆（来源：胡方圆）

研究中，课题组通过新型高性能聚合物包覆液态金属，并将其作为电极材料。

研究表明：

在电化学氧化反应过程中，电极电势增加，液态金属界面张力降低，使其呈现舒张形态，从而有利于 Na⁺的脱出。

在电化学还原反应过程中，电极电势降低，液态金属界面张力增加，使其呈现收缩形态，从而有利于 Na⁺嵌入。

此外，他们开发了微应力-电化学信号原位监测装置，实现了原位实时动态监测工况下钠离子电池的电化学性能。

作为一种新型的高性能聚合物/液态金属复合电极材料，这种“仿心脏”式电极材料具有优异的电化学性能及自修复功能，可有效延缓电化学能源器件失效，利于提高电化学能源器件的容量和循环稳定性。

这类新型高性能聚合物/液态金属复合电极材料的制备方法高效可行，有望应用于各研究领域中。此外，该类材料还可赋予电化学能源器件以柔性、可穿戴、可打印等功能。

（来源：Energy & Environmental Science）

用“仿心脏”微应力泵促进离子流传输

据该团队介绍，可再生能源的获取技术存在间歇性和不稳定等问题，需要整合高效的智能电网系统进行稳定的能量储存。

钠离子电池具有资源丰富、成本低等优势，在规模储能市场中具有更广阔的应用前景。然而，电网系统在大功率工况下，迫切需要高效储能系统进行快速充放电。

所以，针对钠离子电池离子传输动力学缓慢问题，他们围绕高倍率电极材料构筑开展了研究工作，并组装了具有自诊断功能的软包电池。

此前，众多科研工作者已从传统改性角度进行了诸多富有成效的探索，因此现阶段还需进一步提升钠离子电池的电化学性能。

研究中，课题组从器件整体角度出发，将多物理场（如电场、磁场、力场、热场、光场等）进行耦合，制备钠离子电池用智能化关键材料并探究其储钠新机制。

针对钠离子电池中离子传输动力学缓慢问题，该团队受到心脏泵血机制（即心脏肌肉运动和收缩，推动血液流动至全身）启发，提出了通过构筑“仿心脏”微应力泵来促进离子流传输的新策略。

并通过电极电势-材料应力反馈机制，促进了 Na⁺快速传输，揭示了电极结构电势变化和材料界面张力之间的构效关系，阐明了微应力在材料体相内加速 Na⁺传输新机制，从而解决了 Na⁺传输速率缓慢问题。

此外，为了实时探究钠离子电池在工况下微应力变化对电性能的影响规律，他们将微型传感器内置于软包电池，通过解耦应变应变信号，阐明了电化学性能与应力应变的构效关系。

研究人员表示，希望该项工作从微应力场构筑角度，为 Na⁺高效传输提供一种可资借鉴的新思路。

（来源：Energy & Environmental Science）

天气骤变带来的科研灵感

如前所述，本次研究的目的是为了解决离子传输动力学缓慢问题。在研究初期，他们尝试了多种方法改性材料，经过反复优化制备技术及组装工艺后，发现电化学性能仍然无法达到预期。

偶然有一天气温骤降，工作时感觉手很凉，胡方圆想到手凉与末梢循环不畅相关, 而心脏泵血功能与末梢循环息息相，进而联想到心脏泵血的血流传输机制和电池中离子流传输机制存在相似之处。

因此，她和团队决定将液态金属随电压变化而相应产生微应力变化的特性应用于电池中，通过构筑微应力泵进而提升离子流传输的动力学性能。

由于液态金属本身不易直接应用于在电极材料，他们通过构筑聚合物薄层包覆液态金属，进而创制出聚合物/液态金属复合电极材料。

在完成了材料制备后，他们开始思考如何阐释复合电极材料微观结构演变规律和其电化学性能之间的构效关系。

在日常生活中，埋置在建筑物内部的传感器可通过连续且准确的动态应力信号反馈，以实现监测建筑物倾斜角度等目的，从而有利于及时发现并预警存在的安全隐患。

基于此，他们受到建筑学中建筑结构健康监测技术的启发，于是向钠离子软包电池中原位置入光纤布拉格光栅微型传感器，探索在充放电过程中微应力变化与 Na⁺输运之间的构效关系：

即在电化学还原反应过程中，电极电势降低，液态金属的界面张力加快了 Na⁺嵌入动力学过程；

而在电化学氧化反应过程中，电极电势增加，液态金属表面电荷密度增大，界面张力下降，加快了 Na⁺脱出动力学过程。

“没有条件也可以创造条件”

据该课题组介绍，某天傍晚在实验室，基于他们“仿心脏”的科研设想，该团队将液态金属置于电解液中，随后给电解液施加电压后，发现液态金属呈现了规律性收缩/扩张变化的现象，且和电化学性能有着相互关联的规律，这也激发了课题组的好奇心，从而形成了初步的科研思路。

此外，由于当时还没有可同时监测液态金属应力变化和电化学性能变化的高效表征技术及设备，而他们在推进科研工作的过程中，却又需要阐明微观结构和宏观电化学性能的构效关系。这该怎么办？

秉持“没有条件也可以创造条件”的科研信念，既然没有现成的表征装置解耦应力-电化学性能变化之间的联系，那就可以自己开发表征设备。

在调研了多家光纤的尺寸、材质、功能以及适配的原电池装置后，他们开始组装整体的新型应力-电化学传感设备。

在组装过程中，因为光纤本身纤细、易折的缺点，在其与原电池适配的环节非常困难，经过半个月的长时间攻关，最后成功将新的小型装置给适配成功。

“在科研工作中，表征技术和设备的创新也是开展工作的关键要素之一，因此这也是一项富有挑战性且让人难忘的工作。”该团队表示。

日前，相关论文以《具有应力变化的微应力泵促进高性能钠离子电池离子传输》（Micro-stress pump with stress variation to boost ion transport for high-performance sodium-ion batteries）为题发在 Energy & Environmental Science（IF 32.4），并被选为当期期刊的封面论文。大连理工大学金鑫博士是第一作者，胡方圆担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Energy & Environmental Science）

审稿人评价称研究人员“采用独特的微型光纤传感技术和物理化学表征手段，探索循环过程中微应力与 Na⁺输运之间的关系”。

并表示他们“提出了一种使用模拟心脏节律性血泵传输 Na⁺的新策略。同时，利用微型光纤传感技术和物理化学表征有效分析了材料电化学性能与应力之间的机制关联和微观变化。”

（来源：Energy & Environmental Science）

不过，上述聚合物/液态金属复合电极材料只是交叉学科思想的一个具体呈现载体。

他们后续的工作将围绕国家重大需求，开展智能化储能电池的研究工作，充分利用聚合物材料的特性以及多物理场协同作用，研发面向特定应用前景的智能化电化学新能源材料其器件，构建新型高性能智能化电化学能源系统。

具体来说，其拟开发具有智能化特征的新材料，集成实时感知、动态响应、自主决策的电化学能源系统，力争实现电化学能源器件的智能化管理。

参考资料：

1.Jin, X., Pei, M., Liu, D., Song, Z., Jiang, W., Mao, R., ... & Hu, F. (2024). Micro-stress pump with stress variation to boost ion transport for high-performance sodium-ion batteries.Energy & Environmental Science, 17(19), 7035-7046.

排版：罗以

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