[发明专利]自适应的电极材料孔结构的重塑方法、电极材料及其应用

说明书

本发明公开了自适应的电极材料孔结构的重塑方法、电极材料及其应用。该方法包括：(1)将纳米活性材料、导电剂、粘结剂和分散剂混合以便得到电极浆料；(2)将电极浆料负载在集流体表面上，以便得到电极；(3)以电极为工作电极，并连接对电极和参比电极，在活性电解液中装配成三电极电化学体系并在一定电位区间进行电化学扫描，在电场驱动下，活性电解液中的阳离子和/或阴离子嵌入和脱出工作电极的特征孔，以便对电极材料的孔结构进行重塑。由此，采用该方法重塑的电极材料其孔结构既能有效容纳大尺寸的溶剂化Alsupgt;3+/supgt;、Mgsupgt;2+/supgt;、Casupgt;2+/supgt;等离子，同时能对溶剂化Alsupgt;3+/supgt;、Mgsupgt;2+/supgt;、Casupgt;2+/supgt;等离子进行最为致密的存储，从而使得电极材料表现出超高的电荷存储密度。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，尤其涉及自适应的电极材料孔结构的重塑方法、电极材料及其应用。

背景技术

太阳能、风能等新能源的大规模应用对未来电化学储能器件的设计与开发提出了更高的要求，未来电化学储能器件应具有更高的能量密度、更快的充电速度、更长的循环寿命以及更低的制造成本。但目前的电化学储能器件仍具有较低的能量转化效率、较差的循环稳定性以及较慢的充放电速度。

因而，现有的电化学储能器件的性能仍有待改进。

发明内容

本申请主要是基于以下问题和发现提出的：

为了实现上述目标，发明人发现，可以从电化学储能机理的角度出发对不同的电化学体系进行筛选，相比于一价的载流子(如Li⁺、Na⁺、K⁺)和二价的载流子(如Mg²⁺、Zn²⁺、Ca²⁺)而言，三价的载流子(如Al³⁺)具有更高的电荷密度，对应的电化学储能器件也具有更高的理论容量。因此，从理论及实验的角度出发，针对高性能铝离子电池的开发开展了大量的工作。

但目前铝离子电池仍具有较低的能量转化效率、较差的循环稳定性以及较慢的充放电速度等问题，这些问题是由Al³⁺周围较强的静电场导致的，较强的静电场使得Al³⁺和电解液中的溶剂分子以及宿主电极之间都有很强的相互作用。这导致Al³⁺在电极/电解液界面上的去溶剂化过程非常缓慢，也使得去溶剂化后的Al³⁺在电极材料内部的传输非常困难。由此，屏蔽Al³⁺周围超强的静电场是实现其高效存储的关键，也是构建高性能铝离子基电化学储能器件的有效途径。

发明人发现，屏蔽裸离子周围静电场最简单且最有效的方法是在其周围引入一个溶剂化壳层，也就是采用溶剂化的Al³⁺作为载流子。当使用溶剂化的Al³⁺作为载流子时，对应储能器件的电化学储能机理也就转变成快速的电容过程。电容型的储能机理可以为器件提供接近100％的能量转化效率、优异的循环稳定性以及超快的充放电速度。虽然储能器件具有以上诸多优势，但是溶剂化的Al³⁺具有很大的水合半径(0.475nm)和很高的去溶剂化能(4525kJ/mol)，这些特点对电极材料的孔结构提出了更高的要求，即为了实现Al³⁺的高效存储，电极材料应具有足够大的特征孔去容纳大尺寸的Al³⁺，同时为了保证高的电荷存储密度，电极材料还应具有致密有序的微观结构，然而现有的电容型电极材料均不具备这些特征。因此，为了实现溶剂化Al³⁺的高效存储，设计并构建与溶剂化Al³⁺高度匹配的电极材料是非常必要的。