西安交大许鑫/成永红教授、武大于霆教授《ACS Nano》综述：电极材料纳米结构设计与高倍率赝电容离子存储间的构效关系

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文章信息

纳米结构和先进储能：优化材料设计实现高倍率赝电容离子存储第一作者：甘子涵通讯作者：许鑫*，成永红*，于霆*单位：西安交通大学，武汉大学，新加坡南洋理工大学

研究背景

新能源发电，电动汽车及移动电子设备等行业的蓬勃发展迫切需要具有高能量密度和高功率密度的储能设备的支撑，然而传统的电池型电极材料高倍率充放电能力不足，电容型材料可实现快速充放电但能量密度低，均难以担负起高性能储能材料的重任。与之相对，赝电容型材料通过快速的氧化还原反应实现离子的储存，兼具高能量密度和高功率密度的特性，展现出了作为高性能电化学储能器件电极材料的巨大潜力。近年来，已有众多研究通过调节电极材料的纳米结构以实现更强的赝电容响应，从而得到优异的高倍率离子储存性能，但截至目前，对于材料结构设计手段和赝电容响应间的影响机制尚且缺乏较为系统的阐述。

文章简介

近日，西安交通大学许鑫研究员、成永红教授与武汉大学于霆教授合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Nanostructure and Advanced Energy Storage: Elaborate Material Designs Lead to High-Rate Pseudocapacitive Ion Storage”的综述文章。该文章分析了本征及非本征赝电容材料结构设计与高倍率离子存储性能间的作用机制，同时汇总了近期在先进赝电容材料研究方面的进展，并对后续的赝电容材料研究发展方向和赝电容材料商业化应用前景进行了展望。 
图1. 提升材料赝电容响应与倍率性能的方法总结

本文要点

要点一：赝电容材料的定义与鉴别手段
赝电容材料可划分为本征赝电容材料和非本征赝电容材料，其中，本征赝电容材料通过发生在表面/近表面的快速氧化还原反应或离子的快速嵌入/脱嵌储存离子，其赝电容特性不受材料的尺寸影响；而非本征赝电容材料则是由传统的电池型材料通过纳米化设计得到，仅在纳米尺度下表现出赝电容特性。基于氧化还原反应的离子储存机理使得赝电容材料具有高的容量，而离子储存过程不受离子扩散过程控制、不发生相变等特点使其具有优异的高倍率充放电性能。同时，赝电容材料在循环伏安测试、恒电流充放电测试和反应动力学分析等分析测试方法中表现出区别于电池型材料的特点。这些特点是鉴别赝电容材料的基本指标，对于指导赝电容材料结构设计具有重要的意义。 
图2. 赝电容型材料与电池型材料的储能机理和特征。
要点二：材料实现更强赝电容响应和优异倍率性能的结构设计手段
本文基于近年来对于本征及非本征赝电容材料的研究，总结出能够有效提升材料在离子储存中的赝电容响应及倍率性能的设计手段。这些设计手段主要包括减小材料尺寸、异质结工程、原子和空位掺杂、层间距扩张、活性晶面暴露和纳米片设计等方面。由于未经改性的材料在储存离子的过程中存在着离子扩散路径长、扩散能垒高和材料相变明显等不足，其在快速充放电时的性能受到了严重制约。而上述材料设计手段针对这些不足，对材料结构进行了精确调控，通过增加近表面活性位点、降低离子扩散能垒和抑制材料相变等途径克服了材料的固有缺点，使得材料在离子存储过程中表现出更加明显的赝电容特性，从而带来了优异的高倍率充放电性能。这些材料设计手段兼具有效性、方便性和普适性，对于电极材料的相关研究具有重要的借鉴意义。 
图3. 材料结构设计与高倍率赝电容离子存储特性间的构效关系。
要点三：前瞻
虽然目前已发展出众多的材料结构设计手段来提升材料的赝电容响应和快速充放电性能，但在实际的材料制备中，仅采用单一改性手段对于材料的离子存储性能提升效果十分有限；同时，现有研究工作对于许多材料结构设计手段的影响机制的理解仅停留在定性层面，这一缺点削弱了上述手段对于后续研究的指导作用。为了得到能够应用于先进储能设备中的高性能赝电容材料，首先，在今后的材料设计中应同时采用多种改性手段，通过其协同效应进一步提升材料的离子存储表现；其次，在接下来的研究工作中，对于材料结构设计手段的作用机理的定性研究也应逐步转入定量研究，通过探索最优的材料改性方案来得到更好的离子存储能力。此外，煅烧处理可以改变材料的晶体结构与结晶状况，使得离子在材料中的迁移势垒发生变化，进而影响材料的离子存储性能。因此，诸如煅烧等其他可能影响材料结构的处理方法也应被纳入赝电容材料的相关研究中。在未来，赝电容材料在规模化储能装置和动力电池中具有极为广阔的应用前景，但为了最大程度发挥赝电容材料的储能优势，对于储能设备的电解液体系和电极结构也应做出相应的优化设计。
原文链接Nanostructure and Advanced Energy Storage: Elaborate Material Designs Lead to High-Rate Pseudocapacitive Ion Storage
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00557

作者简介

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许鑫研究员简介：西安交通大学电气工程学院特聘研究员，主要研究方向为新能源材料与器件。在Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials, ACS Nano，Energy Storage Materials, Nano Energy等国际期刊上共发表论文30余篇，第一作者15篇，共同第一作者4篇，通讯作者3篇，1篇论文入选ESI热点论文，4篇论文入选ESI高被引论文，H因子21。 成永红教授简介：西安交通大学电气工程学院教授，国家级人才计划获得者。现任装备发展部XX测试仪器专业组专家、XX可靠性工程专业组专家，中国电工技术学会电工测试专业委员会委员，《电工技术学报》《电气工程学报》编委，电力设备电气绝缘国家重点实验室综合能源系统与储能研究部主任，IEEE高级会员。曾获得国家技术发明三等奖1项、陕西省科技进步一等奖1项、教育部自然科学一等奖1项、教育部自然科学二等奖1项，获准发明专利30余项、软件著作权20余项，出版著作3本，参编电气工程、电工材料领域行业手册3部，发表SCI论文100余篇、ESI高被引论文7篇。 于霆教授简介：武汉大学物理科学与技术学院教授，博士生导师，国家级人才项目入选者，国家重点研发计划“纳米前沿”重点专项首席科学家。1999年毕业于吉林大学, 2003年获新加坡国立大学博士学位, 2005年加入新加坡南洋理工大学，2017年获聘正教授（终身教职），2020年回国加入武汉大学。于霆教授长期从事二维材料物性研究与性能调控，及其在微电子、光电子、光通讯和电化学储能等方面新型、高效器件的应用开发。尤其针对可用于新一代信息通信与存储的二维材料光学、光电特性等领域做出许多引领性工作。发表SCI论文300余篇，他引28,000多次，H因子92。

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