Nat. Commun. Yury Gogotsi最新綜述：用于未來的混合儲能的多維材料和器件結構

【引言】

由于我們對眾多的便攜式電子設備的依賴，電能存儲在日常生活中變得越發的重要。此外，隨著電子設備的不斷小型化，以及集成到我們的家庭和衣服的無線設備和廣受期待的“物聯網”的不斷發展，都使得我們有必要努力發展微型便攜式的儲電設備。近日，德雷塞爾大學材料科學與工程系的Yury Gogotsi教授和Maria R. Lukatskaya、加利福利亞大學材料科學與工程系的Bruce Dunn教授聯合在Nat. Commun.上發表一篇關于“用于未來的混合儲能的多維材料和器件結構”的綜述，題為“Multidimensional materials and device architectures for future hybrid energy storage”。 本文綜述了電蓄能的前沿技術，并提出克服目前的局限性的方法和為下一代電能儲存裝置（EES）——電池和電化學電容器的真正相結合指明了方向。

?【研究背景】

利用可再生能源（如太陽能和風能）發電對于滿足未來的能源需求是至關重要的。然而，這些間歇性可再生能源需要高效的EES設備。目前使用的電化學反應存儲能量——可充電（二次）電池通常用在中小尺度的EES設備中。鋰離子電池當前占據著電子設備的市場主導地位，并迅速滲透到了運輸部門和電網規模存儲。然而，現代技術需要具有更高能量密度、快速和低成本的能量存儲方式。電化學電容器（ECs）充電速度極快，能夠確保快速的能量收集，但他們存儲數量級相比電池卻更低。因此，開發用于大規模存儲太陽能和風力發電的新EES系統是必須的。同時，電動車充電時間比汽油車加油時間更長。因此，要實現交通電氣化，就要在EES系統的能量密度和功率密度上有實質性的改進。此外，隨著電子設備的不斷小型化，以及集成到我們的家庭和衣服的無線設備和廣受期待的“物聯網”的不斷發展，都使得我們有必要努力發展這一小型化且強大的電能存儲設備。

【綜述內容】

目前相關設備的局限性暴露出我們對于影響操作、性能和故障的原子、分子級別工藝的理解的不足。本文綜述了新一代的可持續發展、經濟安全的EES技術方法，這為其能夠接近電化學存儲的理論極限以及快速、有效地提供電能開辟了思路。在這里，“理論極限”是指考慮熱力學因素所施加的限制，而不是來自電化學系統設計的限制。本文首先對電化學能量存儲的機制進行了討論，其次對非對稱混合設備中的能量存儲進行了描述，每個電極在電池中的使用有不同的電荷存儲機制。電池和ECS的結合代表著未來EES的一個重要發展方向，其有望實現高能量和高功率密度，這遠遠超出了對鋰離子電池或碳基雙層電容器（EDLC）改良的預期。為了實現這一目標，就需要一種新型的材料和系統架構，使其在電子轉移和離子運輸的同時發生多電子的氧化還原化學反應。在評價這項研究的現狀中，強調了計算對于未來設計新材料和混合儲能裝置的可能性。最后，本文填補了對影響EES設備操作、性能和故障的原子、分子級別工藝的理解上的空白，并對整合法拉第式和電容式的存儲機制進行概述。

圖文導讀

圖一：法拉第式的和電容式的能量儲備。

特征指標（如循環伏安法、恒電流分布），關鍵機制的描述和利用上述電荷存儲機制的典型系統的總結。（a）雙電層電容器（例如：多孔碳（碳化物衍生碳、活性炭）、石墨烯、碳洋蔥圈和碳納米管）。

（b）由于吸附導致的表面氧化還原贗電容器和（或）快速的離子插層（例子：水合RuO₂，水鈉錳礦MnO₂，MXene Ti₃C₂）。

（c）插層贗電容器（例如：T-Nb₂O₅）和（d）電池（例如：LiCoO₂，Si，LiFePO₄）。i=電流，v =掃描速度。晶體結構是在Vesta中繪制的。在圖中不同的顏色代表不同的存儲機制。

圖二：MnO₂同素異形體電容

（a）分別為具有一維、二維和三維孔道的MnO₂的比電容的相對值、離子電導率和SSA。

（b，c）不同晶型的MnO₂在0.5 M K₂SO₄以5? mV s^?1的掃速下的CV曲線，作為具有不同晶體結構、不同尺寸和形狀的晶體通道但化學成分相同的材料表現出明顯不同的行為。

圖三：混合與對稱電化學電容器。

（a）對稱結構（藍線）和混合結構（紅線）的電極電位的示意圖（V₊和V_?）以及電池電位（V）與比容量的關系圖。

（b）以活性碳（AC）為正、負電極的典型對稱結構。

（c）由插層金屬氧化物（MeO）負電極（負極）與高表面積的碳電極（正極）如AC構成的混合裝置的例子。

（d）典型儲能電池組件結構。

?圖四：三維納米結構。

基于（a）0維、（b）一維、（c）二維、（d）三維結構圖案異質納米結構示意圖。（e）CdSe納米粒子的組裝。（f）Ti₃C₂Tx納米疊層（MXene）。（g）介孔Nb₂O₅薄膜的SEM圖。

圖五：多電子氧化還原過程。

（a）嵌入材料：電極的氧化狀態的變化（+ /? ?me^?）伴隨著陽離子（Cat）嵌入/脫出。黑色代表著電極材料處在原始狀態，綠色代表還原態（+me^?）和紫色代表氧化態（?me^?）。

（b）可充電金屬負極：攜帶電荷的陽離子（橙色球體）在負電極上被可逆還原成金屬（綠色塊）。

（c）攜帶電荷的離子改變了其氧化態，但并沒有轉化為固相。左側示意圖代表陽離子在負電極上得到me^?被還原的相關過程；右側示意圖表明陰離子（An）在正極失去ne^?被氧化的過程。

（d）樣品在含有多種氧化還原活性基團的有機電解質中的循環伏安曲線。

圖六：不同類型的鋰離子電池電極材料的容量和工作電位。

（a）不同類型電極的平均放電電位和比容量的總體情況。

（b）插層式正極（實驗值）。（c）轉換型正極（理論值）。

圖七：建模與仿真

（a）取決于體系大小的計算技術的原理圖示；體系的復雜性的增加導致較長的計算時間。FF代表力場。（b）基于運用特定屬性的量子化學高通量計算電能存儲的候選分子的選擇示意圖。在篩選的基礎上，對被選分子可以進行進一步的重點計算研究，以及合成和測試。

圖八：重新定義的電能儲存。

完全集成的可充電混合動力電池-超級電容器（supercapbattery）電能儲存裝置的概念呈現

?【總結】

下一代的EES設備應該是整合了氧化還原反應（用以提供高的能量密度）以及高的充/放電速率全碳超級電容器的統一系統。這篇評論的意圖就在于提供一些實現這一振奮人心的目標的途徑。這種新一代儲能系統的實現將對我們的未來產生巨大的影響。

文獻鏈接：Multidimensional materials and device architectures for future hybrid energy storage (Nat. Commun. ,2016,DOI:10.1038/ncomms12647)

本文由材料人編輯部新能源學術組 背逆時光 ?供稿，點這里加入材料人的大家庭。

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