重大突破：新型电极助力高能量密度储能

作者：段跃初 黄艳红

不同电解质体系下的质子传输机制探究

近日，据《国家科学评论》（National Science Review）于 2024 年 6 月 14 日的报道，天津大学化工学院纳米阳团队在能源存储领域取得了重要突破，他们提出了一种通过在电极孔内建立固定的聚阴离子骨架来加速离子传输的方法，成功实现了厚电极的高效储能。

在实际能源存储电池中，加厚电极对于最大化活性成分的比例从而提高能量密度至关重要。然而，由于厚电极的离子传输阻力显著增加，电极厚度与电化学性能之间一直存在权衡。在此项研究中，研究团队提出通过在电极孔内建立固定的聚阴离子骨架来加速厚密电极中的离子传输，并以超级电容器为例，原位合成了凝胶聚丙烯酸电解质作为这样的骨架。

在充电和放电过程中，质子在 RCOO−位点之间快速跳跃进行定向传输，从根本上减少了电极曲折度和浓度梯度导致的极化效应。因此，即使在 900μm 厚的致密电极的情况下，也能实现每单位厚度几乎恒定的离子传输阻力，从而实现了前所未有的面积电容，在 1 mA cm−2 时为 14.85 F cm−2，在 100 mA cm−2 时为 4.26 F cm−2。

这一研究成果为加速厚密电极中的离子传输提供了一种高效的方法，为实现储能设备（包括但不限于超级电容器）的高能量密度提供了重要的解决方案。

随着科技的不断发展，人们对能源存储设备的需求日益增长。高能量密度的储能设备在诸多领域都具有广阔的应用场景。

在电动汽车领域，高能量密度的电池可以延长车辆的续航里程，提高电动汽车的竞争力。目前，电动汽车的续航里程仍然是消费者关注的焦点之一，而新型电极的应用有望解决这一问题，推动电动汽车的普及。有了这种新型电极，电动汽车在单次充电后能够行驶更长的距离，减少用户的充电焦虑，使电动汽车在市场上更具吸引力，从而加速交通领域的电动化转型，降低交通运输对传统化石能源的依赖，减少尾气排放，助力可持续交通的发展。

在便携式电子设备领域，如手机、平板电脑、笔记本电脑等，高能量密度的储能设备可以使设备更加轻薄、便携，同时延长设备的使用时间，提升用户体验。人们不再需要频繁为设备充电，无论是在外出旅行、工作还是日常生活中，都能享受到更持久的电量支持，让电子设备更好地满足人们的工作、学习和娱乐需求。

在可再生能源存储领域，太阳能和风能等可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点，需要高效的储能设备来储存能量，以实现稳定的能源供应。新型电极的出现为可再生能源的大规模应用提供了有力支持。通过将太阳能和风能产生的多余电能存储起来，在需要的时候释放出来，实现能源的高效利用和稳定供应，有助于解决可再生能源的消纳问题，推动能源结构的绿色转型。

在航空航天领域，这种高能量密度的储能设备可以为卫星、航天器等提供更强大、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运行寿命，为太空探索和卫星通信等提供更可靠的能源保障。

此外，该研究成果还将对整个能源领域产生深远的影响。它有助于推动能源存储技术的发展，提高能源利用效率，减少对传统化石能源的依赖，为实现可持续发展目标做出贡献。

总之，天津大学化工学院纳米阳团队的这一研究成果具有重要的科学意义和应用价值，为未来的能源存储研究提供了新的思路和方向。我们期待着这一技术能够尽快实现产业化，为人们的生活带来更多的便利和可持续的能源解决方案。