近日，中国海洋大学材料科学与工程学院朱玥教授课题组与国内外合作者在Nature Communications和Advanced Energy Materials上分别发表了题为“A Fast-Charging/Discharging and Long-Term Stable Artificial Electrode Enabled by Space Charge Storage Mechanism”（一种基于空间电荷存储机制实现长循环和快速充放电的人工电极）和“Probing Electronic Structure Changes in Cobalt Oxalate Anode for Lithium-Ion Batteries”（探测草酸钴锂离子电池负极的电子结构变化）的合作研究成果。
随着电动汽车和便携式电子设备的快速发展和大规模生产使用，开发具有大容量、快速充电和超长稳定循环能力的锂离子电池是目前储能领域研究的重点之一。转换型电极材料具有极大理论容量，但其所涉及的电化学反应往往非常复杂。在此背景下，探索该类材料体系在运行状态下电子结构的变化并解析其在电化学反应中的关键作用，对于设计和开发更先进的电化学储能材料体系具有重要意义。
在其中一项研究中，合作研究团队以转换型电极材料草酸钴为研究对象，通过多种原位表征手段揭示了该材料充放电过程中界面电子积累和转移的过程。以放电过程为例，CoC2O4首先转化为纳米尺度的Li2C2O4/Co复合物，然后其中的Li2C2O4分解为更深层次的放电产物。通过实时监测Co原子的电子结构变化，可以观测到在转化反应发生后，Li2C2O4/Co界面上存储有自旋极化电子，并随着Li2C2O4的分解而释放，而Co纳米颗粒在此过程中起到了类似催化剂的效果。该研究不仅合理地解释了这一类转换型材料中超大容量的主要来源，也充分展示了固相分解反应中界面电荷存储和转移的关键作用。
草酸钴电极中电荷存储和转移的示意图
在另一项研究中，合作研究团队针对上述研究中界面电荷存储这一独特机制，成功构建了一种纳米Fe/Li2O离子-电子混合导体电极材料，同时兼具高能量密度、高倍率性能和高循环稳定性。不同于电化学法原位生成产物，该研究利用热置换反应合成产物中特有的空间限位作用，使得其在较大电压范围内充放电时仍能维持空间电荷存储机制，从而打造出超快速充放电储能器件。团队还测试了类似的Fe/LixM (M=F, S, N)等一系列电极材料的电化学性能，展示了该存储机制的普适性，并为未来设计超快充电储能系统提供了新思路。
基于空间电荷存储机制的电极设计思路和材料表征
文/图：朱玥
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48215-2
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202400643
