（超）微电极在能源材料领域中的应用.pdfVIP

2014 年 第 59 卷 第 28-29 期：2851 ~ 2860 《中国科学》杂志社 评 述 SCIENCE CHINA PRESS (超)微电极在能源材料领域中的应用 ① ① ①② ①③ ①②③* 闫康 , 孟凡伟 , 吴锋 , 陈实 , 张存中 ① 北京理工大学化工与环境学院, 北京 100081; ② 国家高技术绿色材料发展中心, 北京 100081; ③ 北京市环境科学与工程重点实验室, 北京 100081 * 联系人, E-mail: czzhangchem@ 2014-04-25 收稿, 2014-06-05 接受, 2014-07-25 网络版发表 北京市科学技术委员会专项基金(Z131100003413001)、国家重点基础研究发展计划(2014CB932300)和动力电池及化学能源材料北京市高等 学校工程研究中心开放基金(2014)资助 摘要 简述了超微电极技术的原理、特点以及使用条件. 对比了(超)微电极、大面积多孔电极以 关键词 及理论模拟等方法研究电池电极材料的结果, 表明(超)微电极的实验结果和理论模拟结果之间 微电极 具有较高的一致性. 本文从电化学原理的角度论述了常规尺寸电极上得到结果和理论模拟结果 锂离子电池 之间出现差异和分歧的原因, 并论证了(超)微电极在研究储能材料本征动力学行为和测量物理 电解质 液液界面 化学参数方面的重要性和必要性. 介绍了(超)微电极/ 扫描电化学显微镜在筛选燃料电池氧气还 燃料电池 原催化剂领域中的应用及原理. 针对双电解质金属锂电池所面临的问题, 介绍了微纳尺度空心 针尖支撑的液液界面上锂离子相转移动力学行为的最新研究结果. 分析和阐明电极材料和电解质的电化学性能以 快速、灵敏度高以及信噪比高的特点, 其在获取材料 及它们相互作用机理是认识、研究和合理设计化学电 的动力学数据方面具有优异表现[4,6,7,12]. (超)微电极 源的必要前提，而获得材料准确的电化学动力学以及 的测量结果同理论模型模拟的结果具有很高吻合程 热力学行为是沟通材料的本征性能与电源整体表观 度[13,14], 因此(超)微电极可以作为验证理论模型合理 行为的关键纽带. 明确判断和评估材料的本征性能 性的必要实验依据. 不仅有助于更清晰地判断表观行为的内在原因, 而 研究表明[10,11,15], 采用(超)微电极有助于对电极 且可以提出更有针对性的改进方案. 目前实验中评 材料相内、电极材料/ 电解质相界面、电解质相内以 估材料电化学行为常用的电极尺度往往是厘米级别, 及电解质之间的电荷转移、离子转移、离子传质过程 这种尺度电极的扩散层厚且溶液阻抗高, 存在响应 与行为进行精确分析, 这是认识能源材料的表观动 慢、信噪比低和灵敏性差等问题[1~3]. 在对材料的微 态输出和输入循环过程中的动力学特征[14,16,17] 的基 观动力学行为分析方面, 常规尺度的电极表现出不 本出发点, 也是提高电池安全性、倍率性能和寿命等 可避免的局限性, 如大面积多孔电极容易在极化时 重要性能必要的参考依据. 本文结合(超)微电极的基 受溶液电极的未补偿电势降(iR 降) 降低导致电势测 本特点对其在能源领域研究中的应用实例进行介绍, 量出现偏差[4,5], 大的非法拉第信号使得循环伏安曲 从电化学原理角度详述了其在研究能源材料本征性 线图中法拉第反应行为特征不明显[4,6~9], 较长的充 能和电化学行为中必要性与重要性. 放电时间使某些评估材料寿命性能的实验难以在大 [10,11