马里兰大学胡良兵教授课题组木头电池新进展：树木中多相传输启发的锂-氧电池正极三通道结构设计
【本文亮点】
树木多相传输启发三通道结构设计解决锂-氧电池正极中离子、电子和氧气传输的竞争问题，实现无竞争的三相传输；
部分除木素处理结合导电碳/钌纳米颗粒表面包覆策略同时赋予木基电极高的电子电导性、催化活性和柔性；
木材的良好加工性让厚电极及超高面积比容量得以实现。
【前沿部分】
锂-氧电池由于具有高的理论比容量而广受关注。不同于传统锂离子电池，锂-氧电池中除了离子和电子的传输，还涉及氧气的传输。因此，其电极结构设计不能简单沿用传统锂离子电池的结构设计，还需考虑到离子、电子和氧气传输过程中的竞争关系。探索可行的材料或结构设计以解决这种三相传输竞争关系成为锂-氧电池及其他金属-气体电池领域一个研究热点与挑战。另外，厚电极设计被认为是提高储能器件能量密度的有效途径之一。然而，电极厚度的增加容易降低离子和电子传输速度，导致电池容量衰减等。如何通过合理的材料或结构设计，解决厚电极中离子/电子传输较慢的问题，也是储能领域亟待解决的挑战之一。
最近，马里兰大学的胡良兵教授课题组通过模仿树木管道中发生的多相（水、养分、离子等）传输，开发了一种具有非竞争三通道结构的柔性超厚木头基电极，其作为锂-氧电池正极展现了良好的柔性、超高的面积比容量、较小的过电势和长循环寿命。文章为解决金属-气体电池体系中的离子、电子、气体的竞争传输，厚电极中离子/电子传输较慢，及柔性较差的问题提供了新的思路。该文章发表在国际知名期刊Advanced Energy Materials上，共同第一作者陈朝吉/徐劭懋/况宇迪。
【核心内容】
文章从树木中广泛存在的多相传输现象中得到启发，利用天然木材中的多尺度通道，同时通过木素部分移除，碳纳米管及Ru纳米颗粒均匀包覆赋予改性木材良好的柔性，高电子导电性和高催化活性。这种柔性木材基正极具有非竞争性的三通道结构：
包覆的碳纳米管提供快速的电子传输通道；
由具有纳米孔隙纤维素纳米纤维组装的细胞壁填充电解液之后提供快速的离子传输通道；
不被电解液填充满的导管提供畅通的气体传输通道。
这种非竞争性三通道设计完美地把三相传输分离开，使其各相传输不受其他相的竞争影响。另外，木材的良好加工性使构筑柔性超厚电极成为可能。即使电极厚度增加到几个毫米，其三通道结构仍能很好保持，确保了厚电极中电子/离子/气体的快速传输。
图1.（a）树木导管中的多相传输现象。（b）柔性木材基锂-氧电池正极非竞争性三通道结构中的三相传输。
原始木材（轻木）通过部分木素移除处理，可以获得良好的柔性。碳纳米管均匀包覆后，柔性仍能完好保持。不管是木材的外表面还是管道的内表面，都均匀包覆了一层连续的碳纳米管层，可提供连续的电子传导网络。另外，碳包覆没有破坏柔性木材的孔道结构。进一步包覆处理，可均匀包覆适量Ru 金属纳米颗粒，作为正极催化剂。
图2.碳纳米管包覆柔性木材的形貌结构。
电化学测试结果表明，通过结构优化，柔性木材基正极可以实现较小的过电势（0.85 V at 100mA/g），较长的循环寿命（220次循环），和超高的面积比容量（高达67.2mAh/cm2）。同时通过结构调控，可以验证分级孔道结构对获得优异的电化学性能非常关键。如果把柔性木材压缩致密化，其孔道结构被消除，比容量大大降低，同时过电势显著提高；而如果加入过量的电解液把孔道结构堵塞，则比容量也显著降低。得益于这种独特的三通道厚电极设计，柔性木材基正极综合电化学性能超过许多报道的正极。
图3.电化学性能。
图4.柔性木材基正极与其他报道正极电化学性能（面积比容量、过电势、循环寿命）对比。
【总结】
总而言之，这项工作展示了受自然启发的柔性三通道结构锂-氧电池设计。通过简易的化学脱木素和碳纳米管/钌包覆工艺，天然木材被直接用于构建连续的三通道结构，作为电子，锂离子和氧气的非竞争性传输。在细胞壁中具有纳米孔的纤维素纳米纤维组装体可以容易地吸收和保持液体电解质，从而为锂离子传输提供连续通道。包覆的碳纳米管形成导电互连网络，有利于电子的快速传输。同时，管道既作为产物沉积场所又作为O2气体通道。这些结构优势以及由花瓣状表面赋予的足够活性位点，丰富的孔隙和可调厚度（高达数毫米）导致了超高面积容量高达（67.2mAh/cm2），长循环寿命（220次循环）和低过电势（0.85V）的获得。
此外，柔性木材基电极的优异机械性能赋予集成锂-氧电池良好柔性，包括弯曲，卷起，甚至折叠能力。这种受自然启发的设计策略，开始于可再生和低成本的材料，又很好地平衡了电化学性能，机械灵活性和环境影响，为解决金属-气体电池体系中的多相竞争传输和厚电极中离子/电子传输较慢问题及发展可穿戴和便携式储能设备提供了新思路。
图5. 文章整体思路示意
Chaoji Chen, Shaomao Xu, Yudi Kuang, Wentao Gan, Jianwei Song, Gegu Chen, Glenn Pastel, Boyang Liu, Yiju Li, Hao Huang, Liangbing Hu*, Nature‐Inspired Tri‐Pathway Design Enabling High‐Performance Flexible Li–O2 Batteries, Advanced Energy Materials, 2019, DOI:10.1002/aenm.201802964
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