科學家研發「仿心臟」電極材料，促進離子流傳輸，解決鈉離子電池離子傳輸動力學緩慢問題

近日，大連理工大學材料科學與工程學院副院長胡方圓教授和團隊研發出一種「仿心臟」式電極材料，其呈現出節律性的體積變化，基於微應力泵其能促進離子流快速傳輸，解決了鈉離子電池中 Na+ 傳輸緩慢問題。所構築的 Ah 級軟包電池，在 1 C 電流密度下經過 500 次循環充放電過程後，其容量保持率為 90.2%。

研究中，課題組通過新型高性能聚合物包覆液態金屬，並將其作為電極材料。

研究表明：

在電化學氧化反應過程中，電極電勢增加，液態金屬界面張力降低，使其呈現舒張形態，從而有利於 Na+ 的脫出。

在電化學還原反應過程中，電極電勢降低，液態金屬界面張力增加，使其呈現收縮形態，從而有利於 Na+ 嵌入。

此外，他們開發了微應力-電化學信號原位監測裝置，實現了原位實時動態監測工況下鈉離子電池的電化學性能。

作為一種新型的高性能聚合物/液態金屬復合電極材料，這種「仿心臟」式電極材料具有優異的電化學性能及自修復功能，可有效延緩電化學能源器件失效，利於提高電化學能源器件的容量和循環穩定性。

這類新型高性能聚合物/液態金屬復合電極材料的製備方法卡奧效可行，有望應用於各研究領域中。此外，該類材料還可賦予電化學能源器件以柔性、可穿戴、可打印等功能。

用「仿心臟」微應力泵促進離子流傳輸

據該團隊介紹，可再生能源的獲取技術存在間歇性和不穩定等問題，需要整合高效的智能電網系統進行穩定的能量儲存。

鈉離子電池具有資源豐富、成本低等優勢，在規模儲能市場中具有更廣闊的應用前景。然而，電網系統在大功率工況下，迫切需要高效儲能系統進行快速充放電。

所以，針對鈉離子電池離子傳輸動力學緩慢問題，他們圍繞高倍率電極材料構築開展了研究工作，並組裝了具有自診斷功能的軟包電池。

此前，眾多科研工作者已從傳統改性角度進行了諸多富有成效的探索，因此現階段還需進一步提升鈉離子電池的電化學性能。

研究中，課題組從器件整體角度出發，將多物理場（如電場、磁場、力場、熱場、光場等）進行耦合，製備鈉離子電池用智能化關鍵材料並探究其儲鈉新機制。

針對鈉離子電池中離子傳輸動力學緩慢問題，該團隊受到心臟泵血機制（即心臟肌肉運動和收縮，推動血液流動至全身）啟發，提出了通過構築「仿心臟」微應力泵來促進離子流傳輸的新策略。

並通過電極電勢-材料應力反饋機制，促進了 Na+ 快速傳輸，揭示了電極結構電勢變化和材料界面張力之間的構效關係，闡明了微應力在材料體相內加速 Na+ 傳輸新機制，從而解決了 Na+ 傳輸速率緩慢問題。

此外，為了實時探究鈉離子電池在工況下微應力變化對電性能的影響規律，他們將微型傳感器內置於軟包電池，通過解耦應變應變信號，闡明了電化學性能與應力應變的構效關係。

研究人員表示，希望該項工作從微應力場構築角度，為 Na+ 高效傳輸提供一種可資借鑒的新思路。

天氣驟變帶來的科研靈感

如前所述，本次研究的目的是為瞭解決離子傳輸動力學緩慢問題。在研究初期，他們嘗試了多種方法改性材料，經過反復優化製備技術及組裝工藝後，發現電化學性能仍然無法達到預期。

偶然有一天氣溫驟降，工作時感覺手很涼，胡方圓想到手涼與末梢循環不暢相關, 而心臟泵血功能與末梢循環息息相，進而聯想到心臟泵血的血流傳輸機制和電池中離子流傳輸機制存在相似之處。

因此，她和團隊決定將液態金屬隨電壓變化而相應產生微應力變化的特性應用於電池中，通過構築微應力泵進而提升離子流傳輸的動力學性能。

由於液態金屬本身不易直接應用於在電極材料，他們通過構築聚合物薄層包覆液態金屬，進而創製出聚合物/液態金屬復合電極材料。

在完成了材料製備後，他們開始思考如何闡釋復合電極材料微觀結構演變規律和其電化學性能之間的構效關係。

在日常生活中，埋置在建築物內部的傳感器可通過連續且準確的動態應力信號反饋，以實現監測建築物傾斜角度等目的，從而有利於及時發現並預警存在的安全隱患。

基於此，他們受到建築學中建築結構健康監測技術的啟發，於是向鈉離子軟包電池中原位置入光纖布拉格光柵微型傳感器，探索在充放電過程中微應力變化與 Na+ 輸運之間的構效關係：

即在電化學還原反應過程中，電極電勢降低，液態金屬的界面張力加快了 Na+ 嵌入動力學過程；

而在電化學氧化反應過程中，電極電勢增加，液態金屬表面電荷密度增大，界面張力下降，加快了 Na+ 脫出動力學過程。

據該課題組介紹，某天傍晚在實驗室，基於他們「仿心臟」的科研設想，該團隊將液態金屬置於電解液中，隨後給電解液施加電壓後，發現液態金屬呈現了規律性收縮/擴張變化的現象，且和電化學性能有著相互關聯的規律，這也激發了課題組的好奇心，從而形成了初步的科研思路。

此外，由於當時還沒有可同時監測液態金屬應力變化和電化學性能變化的高效表徵技術及設備，而他們在推進科研工作的過程中，卻又需要闡明微觀結構和宏觀電化學性能的構效關係。這該怎麼辦？

秉持「沒有條件也可以創造條件」的科研信念，既然沒有現成的表徵裝置解耦應力-電化學性能變化之間的聯繫，那就可以自己開發表徵設備。

在調研了多家光纖的尺寸、材質、功能以及適配的原電池裝置後，他們開始組裝整體的新型應力-電化學傳感設備。

在組裝過程中，因為光纖本身纖細、易折的缺點，在其與原電池適配的環節非常困難，經過半個月的長時間攻關，最後成功將新的小型裝置給適配成功。

「在科研工作中，表徵技術和設備的創新也是開展工作的關鍵要素之一，因此這也是一項富有挑戰性且讓人難忘的工作。」該團隊表示。

日前，相關論文以《具有應力變化的微應力泵促進高性能鈉離子電池離子傳輸》（Micro-stress pump with stress variation to boost ion transport for high-performance sodium-ion batteries）為題發在 Energy & Environmental Science（IF 32.4），並被選為當期期刊的封面論文。大連理工大學金鑫博士是第一作者，胡方圓擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Energy & Environmental Science）

審稿人評價稱研究人員「採用獨特的微型光纖傳感技術和物理化學表徵手段，探索循環過程中微應力與 Na+ 輸運之間的關係」。

並表示他們「提出了一種使用模擬心臟節律性血泵傳輸 Na+ 的新策略。同時，利用微型光纖傳感技術和物理化學表徵有效分析了材料電化學性能與應力之間的機制關聯和微觀變化。」

不過，上述聚合物/液態金屬復合電極材料只是交叉學科思想的一個具體呈現載體。

他們後續的工作將圍繞國家重大需求，開展智能化儲能電池的研究工作，充分利用聚合物材料的特性以及多物理場協同作用，研發麵向特定應用前景的智能化電化學新能源材料其器件，構建新型高性能智能化電化學能源系統。

具體來說，其擬開發具有智能化特徵的新材料，集成實時感知、動態響應、自主決策的電化學能源系統，力爭實現電化學能源器件的智能化管理。

1.Jin, X., Pei, M., Liu, D., Song, Z., Jiang, W., Mao, R., … & Hu, F. (2024). Micro-stress pump with stress variation to boost ion transport for high-performance sodium-ion batteries.Energy & Environmental Science, 17(19), 7035-7046.

排版：羅以