重大突破：新型電極助力高能量密度儲能

作者：段躍初 黃艷紅

不同電解質(zhì)體系下的質(zhì)子傳輸機(jī)制探究

近日，據(jù)《國家科學(xué)評論》（National Science Review）于 2024 年 6 月 14 日的報道，天津大學(xué)化工學(xué)院納米陽團(tuán)隊(duì)在能源存儲領(lǐng)域取得了重要突破，他們提出了一種通過在電極孔內(nèi)建立固定的聚陰離子骨架來加速離子傳輸?shù)姆椒?，成功?shí)現(xiàn)了厚電極的高效儲能。

在實(shí)際能源存儲電池中，加厚電極對于最大化活性成分的比例從而提高能量密度至關(guān)重要。然而，由于厚電極的離子傳輸阻力顯著增加，電極厚度與電化學(xué)性能之間一直存在權(quán)衡。在此項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出通過在電極孔內(nèi)建立固定的聚陰離子骨架來加速厚密電極中的離子傳輸，并以超級電容器為例，原位合成了凝膠聚丙烯酸電解質(zhì)作為這樣的骨架。

在充電和放電過程中，質(zhì)子在 RCOO?位點(diǎn)之間快速跳躍進(jìn)行定向傳輸，從根本上減少了電極曲折度和濃度梯度導(dǎo)致的極化效應(yīng)。因此，即使在 900μm 厚的致密電極的情況下，也能實(shí)現(xiàn)每單位厚度幾乎恒定的離子傳輸阻力，從而實(shí)現(xiàn)了前所未有的面積電容，在 1 mA cm?2 時為 14.85 F cm?2，在 100 mA cm?2 時為 4.26 F cm?2。

這一研究成果為加速厚密電極中的離子傳輸提供了一種高效的方法，為實(shí)現(xiàn)儲能設(shè)備（包括但不限于超級電容器）的高能量密度提供了重要的解決方案。

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對能源存儲設(shè)備的需求日益增長。高能量密度的儲能設(shè)備在諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用場景。

在電動汽車領(lǐng)域，高能量密度的電池可以延長車輛的續(xù)航里程，提高電動汽車的競爭力。目前，電動汽車的續(xù)航里程仍然是消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一，而新型電極的應(yīng)用有望解決這一問題，推動電動汽車的普及。有了這種新型電極，電動汽車在單次充電后能夠行駛更長的距離，減少用戶的充電焦慮，使電動汽車在市場上更具吸引力，從而加速交通領(lǐng)域的電動化轉(zhuǎn)型，降低交通運(yùn)輸對傳統(tǒng)化石能源的依賴，減少尾氣排放，助力可持續(xù)交通的發(fā)展。

在便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域，如手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等，高能量密度的儲能設(shè)備可以使設(shè)備更加輕薄、便攜，同時延長設(shè)備的使用時間，提升用戶體驗(yàn)。人們不再需要頻繁為設(shè)備充電，無論是在外出旅行、工作還是日常生活中，都能享受到更持久的電量支持，讓電子設(shè)備更好地滿足人們的工作、學(xué)習(xí)和娛樂需求。

在可再生能源存儲領(lǐng)域，太陽能和風(fēng)能等可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，需要高效的儲能設(shè)備來儲存能量，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能源供應(yīng)。新型電極的出現(xiàn)為可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用提供了有力支持。通過將太陽能和風(fēng)能產(chǎn)生的多余電能存儲起來，在需要的時候釋放出來，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和穩(wěn)定供應(yīng)，有助于解決可再生能源的消納問題，推動能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型。

在航空航天領(lǐng)域，這種高能量密度的儲能設(shè)備可以為衛(wèi)星、航天器等提供更強(qiáng)大、更持久的能源支持，有助于降低航天器的重量，提高其能源利用效率和運(yùn)行壽命，為太空探索和衛(wèi)星通信等提供更可靠的能源保障。

此外，該研究成果還將對整個能源領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。它有助于推動能源存儲技術(shù)的發(fā)展，提高能源利用效率，減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

總之，天津大學(xué)化工學(xué)院納米陽團(tuán)隊(duì)的這一研究成果具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，為未來的能源存儲研究提供了新的思路和方向。我們期待著這一技術(shù)能夠盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為人們的生活帶來更多的便利和可持續(xù)的能源解決方案。