【顶刊综述】张其冲研究员&魏磊教授&姚亚刚教授&孙立涛教授，AM综述观点：先进多功能水系充放电电池设计：从材料和器件到系统- 大数跨境

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【顶刊综述】张其冲研究员&魏磊教授&姚亚刚教授&孙立涛教授，AM综述观点：先进多功能水系充放电电池设计：从材料和器件到系统

科学材料站

2021-10-30

导读：该文章综述了先进多功能水系充放电电池出现的背景，设计原则和策略，最近研究进展以及未来面临的挑战。

文章信息

先进多功能水系充放电电池设计：从材料和器件到系统

第一作者：李雷，张其冲

通讯作者：张其冲*，魏磊*，姚亚刚*，孙立涛*

单位：东南大学，中科院苏州纳米所，南洋理工大学，南京大学

研究背景

多功能水充放电电池（MARBs）被认为是安全的，性价比高，可规模化的电化学储能设备，提供了传统充放电电池无法实现的额外功能，这在理想情况下产生了前所未有的应用。

尽管MARBs是当今科学研究和工业发展中最令人兴奋和发展最快的课题之一，但是目前还没有对MARBs领域的演变和进展进行系统的综述。因此，根据智能ARBs和集成系统分类的，本文全面系统地总结了MARBs的设计原则和设计方法的最新进展，同时分析了其器件设计和配置、电化学性能和各种额外智能功能。

文章简介

在这里，中科院苏州纳米所张其冲研究员，东南大学孙立涛教授，南洋理工大学魏磊教授，南京大学姚亚刚教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Advanced Multifunctional Aqueous Rechargeable Batteries Design: From Materials and Devices to Systems”的观点文章。

该文章综述了先进多功能水系充放电电池出现的背景，设计原则和策略，最近研究进展以及未来面临的挑战。

图1：先进多功能水系充放电电池的种类

文章要点

要点一：MARBs设计原则和策略

阐述了实现MARB除了基本的储能机制外的其它功能有两种主要的设计原则。

第一，将具有可压缩/可拉伸、自治愈、自充电、自保护、电致变色、耐低温、光电探测、形状记忆、发光或可生物降解能力的功能材料分别引入到ARB的集流体、电解质、隔膜、基底或包装材料中；

第二，将ARB与具有能量收集（如：太阳能电池和纳米发电机）和/或能量利用（如：传感器）功能的器件集成在单一的设备中。

图2：智能ARBs和MARBs集成系统的简要发展历史

要点二：MARBs的最新进展

从智能模块制备、器件配置设计、电化学性能评价和多功能评估等方面总结了MARBs的最新进展。这些研究清楚地表明，MARB展示了储能和其它的智能功能，在下一代便携式和可穿戴电子产品中具有无限的应用潜力。

图3：智能ARBs和MARBs集成系统的简要发展历史。

要点三：MARBs的未来挑战

尽管近年来MARBs发展迅猛，它们在性能和实用性方面的探索仍处于起步阶段。在进一步的研究发展中，可能存在一些瓶颈需要克服，这就需要对MARB的模块进行优化和修改。例如，金属基集流体和基底是目前MARB中最常用的材料，而它们重的特性可能会显著降低整个器件系统的固有能量密度。相比之下，最近的碳基纳米材料，如碳布、碳膜和碳纤维，表现出质轻、柔软和弹性的特征，但导电性低于金属材料。

因此，可以通过电沉积、染色甚至化学沉积的方法来制备金属包覆的碳基集流体和基底，以保持其金属性和柔韧性。传统的活性材料以无机为主，特别是含有重金属离子的活性材料，应用于可穿戴设备可能会增加安全性和成本。用具有类似功能的柔性有机物替代它们是未来研究的一个很有前景的选择。

此外，为了扩大MARBs的应用范围，还需要克服一些知识差距和技术问题，包括：赋予更多功能在MARB中，权衡各性能间的平衡，制定统一的性能评估标准，深入探索工作机理，满足市场需求实现商业化。

图4：MARBs未来主要挑战示意图。

文章链接

“Advanced Multifunctional Aqueous Rechargeable Batteries Design:From Materials and Devices to Systems”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202104325

通讯作者简介

张其冲博士

现任中国科学院科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。2017年于同济大学获得物理学博士学位，主要从事水系电化学纳米材料的合成和纤维状功能器件的研制， 2018年至2021年在新加坡南洋理工大学担任研究员，2021年入选中国科学院“百人计划”并任职中国科学院科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。长期致力于纤维状水系储能器件的开发工作，系统研究了高性能纳米材料在高曲率纤维表面的原位组装，通过调控纳米材料的微观结构、缺陷、构筑异质结构、改善电极/电解液界面反应动力学条件和构建新型器件结构，发展出了一系列高能量密度、高稳定性的纤维状水系储能器件，并在Advanced Materials, Nature Communications, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy, Advanced Science, Energy Storage Materials等学术期刊发表论文80余篇，H因子34，ESI高被引论文9篇，论文引用3300余次, 编写1部英文专著。

魏磊博士

新加坡南洋理工大学电气与电子工程系副教授。2005 年本科毕业于武汉理工大学，2011 年博士毕业于丹麦科技大学，2010-2014 年在美国麻省理工学院进行博士后研究，2014 年加入新加坡南洋理工大学电气与电子工程系，2018 年起任新加坡南洋理工大学光纤技术研究中心主任。主要从事基于纤维的光电子器件，复合材料纤维，生物光纤交互和纤维内能量的产生和收集等方面的研究。在 Nature、Nature Biotechnology、Nature Photonics、Advanced Materials和Nature Communications 等学术期刊上发表论文 70 多篇。

第一作者介绍

李雷博士

李雷博士2019年毕业于福州大学有机化学专业。曾获得中国科学技术协会的资助参加“2017年中国科协优秀中外青年交流”项目，前往新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院进行交流学习。已在国际重要学术期刊发表SCI论文11篇：其中以第一作者发表9篇。目前，主要研究兴趣为有机功能材料设计合成以及器在储能器件中的应用，包括可充电有机锂/钠电池，有机水系电池和氧化还原液流电池。