通过电化学储能装置中的互穿结构实现增强的离子扩散动力学

随着全球对电化学电极的需求不断上升，出现了一种新趋势，强调需要保持离子扩散效率，同时适应超高活性材料负载以提高容量和能量密度。在三维空间中，具有高孔隙率和低曲折度的结构化电极已被证明可有效提高各种电化学储能装置 (EESD) 的性能。

然而，增加3D打印电极的厚度不可避免地延长了离子的扩散路径，增加了两个电极之间的浓度梯度，导致离子扩散动力学变慢。因此，迫切需要创新的电极设计，以同时实现大表面积、低弯曲度和短电极间距，从而实现器件级的快速离子扩散。

为了应对这一挑战，加州大学圣克鲁斯分校的 Yat Li 和同事提出了一种构建互穿电极结构的新策略。该模型系统采用开尔文单位体心立方晶格，每个晶胞包含两个独立的子晶格电极。这项研究发表在《纳米微快报》杂志上。

以商用树脂为前驱体，通过立体光刻(SLA)技术制备了由不同数量单元组成的聚合物互穿结构。随后采用化学镀技术使聚合物基底导电。具体而言，首先用Sn 2+离子敏化聚合物表面，然后Sn 2+和Pd 2+离子发生氧化还原反应，在此过程中，作为催化活性位点的Pd纳米颗粒在聚合物表面组装。

然后将活化后的基体浸入含有Ni²⁺离子和还原剂NaH 2 PO 2的混合溶液中，在Pd位点形成导电的Ni-P复合层。在化学镀和电镀过程中，电极支撑结构的部分被遮蔽，以便电极A和B可以独立寻址。

最后，分别在电极 A 和 B 上选择性电沉积 MnO 2 /PEDOT 复合材料和金属锌。使用 Zn//MnO 2电池装置作为模型系统来检验有关互穿 EESD 的假设。这种方法缩短了离子扩散距离并降低了离子浓度梯度，而自支撑装置结构消除了对隔膜的需求，从而防止了短路。

此外，在打印过程中可以调整特征尺寸和互穿单元的数量，以平衡表面积和离子扩散。从 3D 打印的互穿聚合物基板开始，对其进行金属化以创建导电、可独立寻址的电极，用于选择性电沉积储能材料。

事实证明，互穿结构设计在低温应用中特别有利，因为缓慢的离子扩散对低温应用构成了重大挑战。Li 及其同事使用 Zn//Zn 对称电池进行了测试，以比较 20°C 和 0°C 下两种不同结构的设备中锌金属的剥离/镀层行为。

与分离电极设计相比，互穿结构在两种温度下均表现出较低的极化电位，并表现出更稳定、更平滑的剥离/镀层曲线。尽管电荷转移阻力 (R ct ) 在 20 °C 时相似，但互穿结构表现出较低的溶液和质量转移阻力。

在 0 °C 时，分离结构的 R ct (~400 Ω) 明显高于互穿设计 (~80 Ω)。互穿装置的低温性能增强归因于通过缩短电极间距实现的更高效的离子扩散和更均匀的离子浓度分布。此外，低温下的电池装置测试表明，当温度从 20 °C 降至 0 °C 时，互穿装置保留了 49% 的面积容量，而分离装置仅为 35%。

由于离子扩散动力学增强和设计更紧凑，互穿装置在 0 °C 时表现出显著的改进，与分离装置相比，面积容量增加了 104%，面积能量密度增加了 82% ，体积能量密度增加了 263%。这些发现强调了互穿结构在增强离子扩散动力学方面的重要性。