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【科技】Adv. Mater.综述:储能器件中的基础设施建设-构建高效稳定电荷传输网络的基本策略,挑战与展望

时间:2019-09-10 来源:嘉怡时尚



综述亮点:

1、它山之石,可以攻玉。该综述将复合电极结构调控研究类比于城市基础建设,将电池内部复杂的电荷传输结构形象化为城市的交通网络。这不仅有助于加深理解储能器件发展所面临的主要挑战,同时也为梳理其内部结构和性能之间的关系提供参考,从而对先进电池开发起到抛砖引玉的作用。

2、系统思维,化繁为简。电子离子传输网络作为电池内部交通基础设施的核心部分,对下一代先进储能器件的发展至关重要。然而目前,人们对于电荷传输网络缺乏系统性理解,而传统的相关综述通常集中于某个具体的电池组分上(比如电极活性材料,粘接剂或是电解质)。该综述试图从电荷传输系统出发,将各个相关方面的重要工作统一到一条主线上。这大大提高了其作为综述的可读性、时效性以及普适性。


引言

    作为储能器件内部结构的核心组成部分,电荷(电子离子)传输网络调控一直是先进电池发展最核心的研究内容之一。由于其结构最终由各个组分以及电池组装生产工艺共同决定,影响其结构的因素不仅极其繁多并且相互交错,因此实现其结构可控也就极具挑战性。然而,随着电池技术的发展,人们对电池的能量密度和功率密度、安全性、循环稳定性甚至机械韧性都提出了更高的期望。这些期望从根本上决定了必须发展高容量的活性材料以及强大而又稳定的离子电子传输系统。很显然,构建一个强大而又稳定的离子电子传输系统,一方面离不开高导电和导离子率的媒介(相当于运输货物的卡车),另一方面也离不开媒介传输所需高效物理支撑网络(相当于城市道路基础设施)。

    正是考虑到以上离子电子传输系统的复杂性、重要性以及其需要被更好理解的迫切性,最近,华盛顿州立大学王宇博士、仲伟虹教授联合华盛顿大学曹国忠教授,紧紧围绕复合电极中的离子电子传输网络这一主题,将相关的重要策略、挑战以及展望,进行了综合介绍、分析讨论和总结。该综述最近已发表于Advanced Materials。

图1:基于液体电解质技术的电子离子传输系统(以锂离子电池为例)。(a)城市的核心组成和功能与复合电极结构功能类比;(b)串联的齿轮传动模型解释锂离子电池内部离子电子传输的区域分布及相互依赖关系;(c)从组分特性、界面以及空间构造三个方面总结影响电池内部电荷传输系统功能的主要因素(注:环境因素在此暂时没有讨论)。

    如图1所示,文章首先站在不同功能系统的视角,对储能器件(以基于液体电解质技术的锂离子电池为例)的内部电荷传输进行了简要介绍。由于电荷传输网络(即电子和离子传输通道)本身并不是某个独立的可拆分的电池组件,其结构组成都是各个电池组分以及电池组装过程共同调控的结果。这就决定了其在空间结构上的复杂性以及不确定性。如图1(a)所示,为了更好地理解其结构和功能,作者以复杂的复合电极中的离子电子传输为讨论对象,并将其类比于城市中的高楼大夏和交通系统。借此比喻,复合电极中的离子电子传输系统可以拆分为两大组成部分:一是传输媒介(即运输人或货物的交通工具),二是传输网络(即道路基础设施)。同时,电荷传输系统与活性物质之间的关系也变得非常明了。


    图1(b)以串联的齿轮传动为模型,展示了电池内部的离子和电子两个传输系统之间的耦合关系及区域分布情况。结合此传输模型,影响电荷传输系统结构与功能的主要因素总结在图1(c)中。具体地,作者从材料组分特性、组分界面以及空间构造三个方面进行了总结。这些因素的分布也相应地标出在齿轮传动模型中。值得指出的是,其它重要因素,比如环境温度、测试或实际操作条件等因素均未列入此文的讨论范围。同时,由于此综述集中在复合电极内部离子和电子两个传输网络系统,其它与电荷传输密切相关的话题(比如固体电解质界面层SEI,传输媒介本身的离子或电子导电率等)也不在此文的讨论范围。


    对于具体的控制策略介绍,作者依据其对复合电极中离子或是电子传输网络的调控能力分成了三大部分,如图2所示。第一部分是离子传输网络(ITN)控制策略,主要包括活性物质多孔化、电极孔模板添加剂、增材制造(3D打印)等。第二部分是电子传输网络(ETN)控制策略,主要包括活性物质核壳结构设计、导电剂柔性包覆、新型功能性粘接剂等。第三部分是离子电子传输网络(ITN/ETN)同时控制策略,主要包括电极模板法、电极骨架或支架以及电极基体等。这些策略具体介绍均以代表性论文为例总结在一个大图中,具体内容请参考原文文献。

图2:本综述总结的主要策略分布与归类一览。所总结的策略分类依据是其对复合电极中电子传输网络(ETN)以及离子传输网络(ITN)的可控性。依据这个标准,相关研究可以分为ITN控制策略,ETN控制策略以及ITN/ETN同时控制策略三个部分。这三个部分涵盖活性材料设计,新型功能性粘接剂、电极模板、电极骨架、新型复合电极加工制备等多个方面的研究内容。具体策略请见论文相关图文介绍。

【挑战与展望】

    最后,作者对所介绍策略的优缺点进行了简要总结,并讨论了目前面临的主要挑战。如图3所示,这些挑战随着电池技术向高能量密度、高功率密度、长循环性能以及安全性能方向发展而变得越来越明显。这些挑战主要来自以下几个方面。

    一方面,大部分电池材料的功能依旧单一,这必将导致电极组分复杂,传输网络结构可控性难以提高。

另一方面,从整个复合电极出发,由于各组分在空间和重量上必然存在分配矛盾,如何在保证高能量密度(高活性物质的体积和重量占比)的同时,在非常有限的空间限制下构建高效稳定的传输网络也是一个大挑战。

    最后,对于电荷传输物理网络的空间结构及性能(传输性能和机械性能等)进行有效表征分析,并从机理上理解其与电池具体性能之间的关系,也是一个巨大挑战。

    为解决这些挑战,文中介绍的很多策略都极具启发意义。比如,多功能电池材料(比如导电或导离子型功能性电极粘接剂)用以简化电极组成和结构;再比如新型电极加工成型技术(比如文中介绍的电极孔模板添加剂和3D打印等)用以优化电极孔结构和导电网络,以及新型电极表征技术等。

图3:构建高效稳定电荷传输网络所面临的主要挑战。这些挑战来自各个方面,包括组分本身特性与形貌的可控性、复合电极内部复杂多变的结构与组分空间竞争、传输网络在微观宏观尺度上结构与性能表征、以及从机理上如何理解传输网络结构与电池性能之间关系等等。

【参考文献】

Strategies for Building Robust Traffic Networks in Advanced Energy Storage Devices: A Focus on Composite Electrodes; Yu Wang,* Xuewei Fu, Min Zheng, Wei-Hong Zhong,* and Guozhong Cao; Advanced Materials, 2018, 1804204; DOI: 10.1002/adma.201804204.


(转自:能源学人)


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