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持续上升，出现了一种新的趋势，强调需要保持离子扩散效率，同时适应超高负载的活性材料，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能有效提高各种电化学储能装置（EESD）的性能

为了应对这一挑战，加州大学圣克鲁斯分校的Yat Li及其同事介绍了一种构建互穿电极结构的新策略。该模型系统利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

使用商业树脂作为前体，通过立体光刻（SLA）制造了由不同数量的晶胞组成的聚合物互穿结构。随后使用化学镀使聚合物基材导电。具体而言，聚合物表面首先用Sn2+离子敏化，然后Sn2+和Pd2+离子之间发生氧化还原反应，在此过程中，充当催化活性位点的Pd纳米粒子组装在聚合物表面上

然后将活化的基材浸入含有Ni离子和还原剂NaH2PO2的混合溶液中，在Pd位点形成导电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掩盖，以允许电极A和B的独立寻址。最后，MnO2/PEDOT复合材料和金属锌分别选择性地电沉积在电极A和电极B上。使用Zn//MnO2电池装置作为模型系统来测试关于互穿EESD的假设。这种方法缩短了离子扩散距离，降低了离子浓度梯度，而自支撑器件结构消除了对分离器的需要，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，对其进行金属化处理，以创建导电的、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带来了重大挑战。Li及其同事使用Zn//Zn对称电池进行了测试，比较了20°C和0°C下两种不同结构的器件中锌金属的剥离/镀覆行为

与分离电极设计相比，互穿结构在两个温度下都表现出较低的极化电位，并表现出更稳定、更平滑的剥离/镀覆曲线。尽管电荷转移电阻（Rct）在20°C时相似，但互穿结构表现出较低的溶液和传质电阻

在0°C时，分离结构的Rct（~400Ω）明显高于互穿设计的Rct。互穿器件的低温性能增强归因于通过缩短电极间距实现了更有效的离子扩散和更均匀的离子浓度分布。此外，低温下的电池设备测试表明，当温度从20°C降至0°C时，互穿设备保留了49%的面积容量，而分离设备仅保留了35%

由于增强的离子扩散动力学和更紧凑的设计，互穿装置在0°C下表现出显著的改进，包括与分离装置相比，面积容量增加了104%，面积能量密度增加了82%，体积能量密度提高了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 More information: Xinzhe Xue et al, Interpenetrated Structures for Enhancing Ion Diffusion Kinetics in Electrochemical Energy Storage Devices, Nano-Micro Letters (2024). DOI: 10.1007/s40820-024-01472-8