原标题：探索·收获！为解决电化学储能电极厚度受限提供新方案：热纳米压印制备

来源:南京大学

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探索·收获！细胞成像再添新技术：鞠熀先教授提出细胞膜蛋白成像的电致化学发光方法

近日，现代工程与应用科学学院唐少春教授课题组与葛海雄教授课题组合作，通过电极结构优化设计，利用热纳米压印制备技术结合微电流电沉积，成功获得高容量、高倍率和长循环寿命的新型阵列结构电极，为解决电化学储能领域电极厚度受限的难题提供了一种新思路和解决方案。相关成果以“Vertically Aligned and Ordered Arrays of 2D MCo2S4@Metal with Ultrafast Ion/Electron Transport for Thickness-Independent Pseudocapacitive Energy Storage”为题发表于《美国化学学会纳米》期刊上。（ACS Nano, 2020. class=\"art_p\" cms-style=\"font-L">随着柔性电子器件的快速发展，柔性超级电容器在柔性显示、便携式储能、可穿戴电子设备等方面具有巨大的应用潜能，受到国内外产业界和学术界的高度重视。开发高性能的柔性电极以及非对称全固态器件是提升超级电容器能量密度和拓展其应用的关键。赝电容电极材料的储能基于电极/电解液界面附近可逆的法拉第氧化还原反应，表现出远高于双电层碳材料的电容。电解液通常在材料中的扩散深度仅为20 nm，剩余材料体积被认为是“死体积”不参与电化学储能。通过提高离子扩散速率、有效体积和电子输运效率，赝电容超级电容器有望将能量密度提高到与二次电池相当的水平。然而，由于赝电容材料自身导电率低、“死体积”比例高，特别是电子/离子的超长传输距离使其实际容量远低于理论值。

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图1. 新型阵列电极在电化学储能过程中离子和电子的传输路径。

二维纳米材料在获得高容量电化学储能方面具有优势，将其生长在基体表面能有效避免相互堆叠，但现有报道的纳米阵列结构往往比较致密、分布无序；尤其是，储能无法摆脱对电极厚度的依赖，这一问题在厚度达到或超过10 μm时更为突出！离子在电极内部缓慢运动导致高充放电速率下电化学存储容量迅速衰减。

针对以上问题，研究团队提出利用两种垂直离子通道和电荷快速存储/输运加快电化学反应动力学的观点，设计出一种全新的阵列电极结构。如图1所示，该新型电极是由垂直有序排列的柱状阵列构成，赝电容NiCo2S4纳米片生长在高长径比的柱状集流体上。电极拥有两种垂直的离子通道，一种是相邻柱子间的大尺寸间距，另一种是“站立式”、超薄NiCo2S4纳米片形成的多孔纳米通道。前者在电化学储能过程中像“高速公路”一样为电解液离子提供无障碍的通道，后者能极大地加速离子在整个电极内部扩散的传输速率。此外，基于纳米压印制备工艺，柱状集流体与底部Ni片为整体，没有电荷传递界面的存在；纳米NiCo2S4既调节了表面阳离子的氧化还原反应，又将活性位生成的电子快速转移到导电集流体。该设计能促进离子扩散、增加有效接触面积、缩短法拉第电荷传递距离。

为了实现以上目标，团队首次利用低成本规模化热纳米压印技术，制备出高长径比、垂直有序排列的Ni阵列（图2a-b），然后通过微电流电沉积在其表面生长出垂直于柱子弧形表面的超薄纳米片，产物如图2c-d所示。将厚度仅为5 nm的活性二维过渡金属硫化物MCo2S4（M = Ni、Co、Fe、Mn等）“站立”在柱状集流体表面（图2e-f所示），纳米片交叉形成竖直孔通道，有利于电极内部超快的定向离子扩散与传输。结果表明，本研究获得的电极厚度高达20 μm，且电极的容量随着MCo2S4包覆层厚度的增加呈线性增加（并未出现国际上常见的厚度增加到一定数值电容开始降低），从而有效解决了容量受电极厚度限制的难题。

文章来源：《探索科学》 网址: http://www.tskxzzs.cn/zonghexinwen/2020/0925/779.html