北大李彦教授等Acc. Mater. Res.综述：三维垂直阵列电极在微型储能器件中的应用

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随着电子器件朝着智能化、小型化和集成化方向发展，开发微型能源存储设备（如电池和超级电容器）成为当前一个重要的研究方向。为了协同提高这类设备单位面积输出的能量密度和功率密度，通常需要增加电极中活性材料的负载量。然而，这对于传统薄膜电极而言是不可行的，因为固相传输路径延长后会影响微型器件的功率输出。幸运的是，研究人员近年来发现，采用三维垂直阵列电极可以解决这类问题。

与二维几何构型相比，三维垂直阵列电极的设计具有多方面优势：第一、电极材料的厚度可以通过提升阵列的高度实现，在这个过程中，纳米级的离子输运通道依旧可以保留；第二、在导电基底上原位生长三维垂直阵列，可以避免粘结剂和导电剂的使用，从而简化器件组装工艺并降低成本；第三、垂直有序的通道结构不仅可以加速离子传输速率，还可以提供足够的空间缓解电极材料的体积膨胀效应；第四、三维垂直阵列结构具有很大的比表面积和充足的活性位点，能够保障电流在电极表面的均匀性分布。

近日，北京大学李彦教授与苏州大学倪江锋教授在Acc. Mater. Res.上发表题为“3D Vertical Arrays of Nanomaterials for Microscaled Energy Storage Devices”的综述文章。作者基于团队前期研究基础，在文章中介绍了三维垂直阵列电极的结构特点和构建方法，并综述了其在微型储能设备中的最新研究进展。

图1. 传统二维构型电极和三维垂直阵列电极的结构对比以及所得器件的能量和功率比较。

图2. 三维垂直阵列电极的构筑方法。

图3. 常见三维垂直阵列电极的微观结构。

图4. 常见微型储能设备的构型：三明治型、手指交叉型和光缆型。

图5. 微型电池中三维垂直阵列电极的改性策略。

图6. 微型电池中阵列电极结构演变过程的揭示，包括理论模拟、原位和非原位表征技术。

图7. 微型超级电容器中常见的三维垂直阵列电极。

图8. 微型超级电容器中三维垂直阵列电极的改性策略。

结论与展望

三维垂直阵列电极具有合成工艺简单、界面接触电阻小和电荷传输速率高等优势，并且在增加活性物质负载量的同时，不会影响到输出功率。近年的研究结果也证实了三维垂直阵列电极在微型储能设备中具有独特的应用潜力。由于该研究方向尚处于初期阶段，还存在不少问题亟待解决，例如：发展批量成本低的阵列电极的制备方法、实现微型器件能量密度的进一步提升、发展有效的原位表征技术、统一电化学性能和机械性能的衡量标准等。

原文链接

https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00175

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