黄维院士&朱纪欣教授Nano Letters：超快微波活化极化电子制备多孔铝箔助力高能量密度电池- 大数跨境

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黄维院士&朱纪欣教授Nano Letters：超快微波活化极化电子制备多孔铝箔助力高能量密度电池

科学材料站

2020-11-30

导读：本文报道了一种微波辅助、快速高效构筑可控厚度、表面多孔铝箔的方法。借助微波协同极化电子与铁离子诱导氧化刻蚀，在数秒内快速实现铝箔的表面修饰

文章信息

超快微波活化极化电子制备多孔铝箔助力高能量密度电池

第一作者：丁莹，张桥

通讯作者：芮琨*，朱纪欣*，黄维*

单位：南京工业大学，西北工业大学

研究背景

金属材料的可控加工和表面设计对电子产品、催化、能源和生物等多行业有着重要的推动意义。传统块体金属材料的加工和表面改性方法，例如热喷涂，电镀，等离子体渗氮等，受到高成本和复杂工艺的制约。

近年来，研究者利用新兴的纳米技术，实现功能化表界面的精确调控及修饰，成功应用于低维纳米材料、量子点以及原子级分散的界面，包括通过改变表面组分实现目标功能，以及借助调控表面形貌优化界面特性。然而，金属表面多孔结构的构筑仍受限于高温烧结或成本昂贵的技术手段（如3D打印）。

此外，在实际应用中还面临操作难度高、规模化制备等挑战。因此，亟待开发一种有效、可控、低成本的方法优化金属的加工与修饰，从而进一步拓展其功能与应用。

文章简介

近日，南京工业大学先进材料研究院黄维院士、朱纪欣教授团队，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Ultrafast Microwave Activating Polarized Electron for Scalable Porous Al toward High-Energy-Density Batteries”的文章

本文报道了一种微波辅助、快速高效构筑可控厚度、表面多孔铝箔的方法。借助微波协同极化电子与铁离子诱导氧化刻蚀，在数秒内快速实现铝箔的表面修饰。该多孔铝箔有助于改善电极材料的附着力，降低器件总质量，有效提升电池器件的循环稳定性与能量密度。

图1. 微波诱导制备多孔铝箔的示意图。

要点一：微波诱导产生极化电子实现可控加工

铝箔是一种含大量自由电子的优良导体。当微波照射铝箔时，电子在趋肤效应下产生极化并集中到铝箔表面。

同时，在交变电磁场的作用下，极化电子会在铝箔表面形成电流(涡流)并产生表面热区，为反应提供丰富的电子和能量，促进金属Al和Fe(III)离子的氧化还原反应，实现铝箔的快速可控加工，可实现铝箔精准减薄。

要点二：可规模化制备多孔铝箔

微波场下，金属盐在表面热区上快速分解，产生气体，形成固、液、气三相界面。以相界面为模板，结合快速微波氧化还原刻蚀，形成了多孔交联的网络结构。

这种表面多孔结构有效改善了金属材料表面能，提升了材料与金属之间的粘接力。此外，微波具有快速、可扩大化制备的优势，适用于多孔铝箔的大规模制备。

要点三：显著提升电池能量密度

通过本方法可控制备的多孔铝箔具有超轻和超薄的优势，极大地减少了电极集流体的在器件中的占比，显著地提升了器件的能量密度。此外，制备的多孔铝箔具有与活性物质更好的浸润性能有效提高了电池的循环稳定性。本文通过测试商业化磷酸铁锂正极，可以获得3倍于普通铝箔电极能量密度的性能。

要点四：未来展望

本文通过微波宏量制备多孔铝箔，为高能量密度电池提供了性质优异的集流体。同时，多孔铝箔可用于设计柔性电极，为下一代柔性电子器件提供材料和储能基础。此外，微波法可实现一系列铝合金、涂碳铝箔和铝塑膜等含铝基底的表面修饰，拓宽了金属材料表界面修饰的应用范围。

文章链接

Ultrafast Microwave Activating Polarized Electron for Scalable Porous Al toward High-Energy-Density Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03762

通讯作者介绍

朱纪欣，教授，博士生导师。

2005年获得安徽大学学士学位，2008年获得中国科学技术大学硕士学位，2012年获得新加坡南洋理工大学博士学位。2012-2015年先后于美国莱斯大学、慕尼黑工业大学创新中心和德国马普学会胶体与界面所从事博士后研究工作，2016年加入南京工业大学先进材料研究院。先后荣获安徽省优秀毕业生、国家优秀自费留学生奖、国家高层次海外人才引进计划、江苏省杰出青年基金项目、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目等。担任欧盟研究委员会特邀基金评审专家、以色列基金委、科技部特邀基金评审专家，入选科睿唯安“全球高被引作者”。主要从事能源存储与清洁能源制备；半导体载流子调控及器件；柔性与可穿戴电子器件等研究工作。目前，在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., Energy Environ. Sci.等期刊上发表SCI论文130余篇，被引用8700余次，H因子53，ESI高被引论文14篇；申请发明专利10余件；主持各类国家/省部级人才项目、国家自然科学基、陕煤联合基金项目及参与国家重点研发计划项目等10余项。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/zhu_jixin

黄维教授，博士生导师，中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士。

有机电子、塑料电子、印刷电子、生物电子及柔性电子学家。黄维院士是“长江学者”特聘教授，国家“杰出青年科学基金”获得者，国家高层次人才计划入选者，“973”项目首席科学家。亚太地区工程组织联合会（FEIAP）主席，俄罗斯科学院名誉博士、英国谢菲尔德大学名誉博士，英国皇家化学会会士、美国光学学会会士、国际光学工程学会会士。曾两次获得国家自然科学奖二等奖、三次获得高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖，以及何梁何利基金“科学与技术进步奖”等，成果入围中国“高等学校十大科技进展”。黄维院士在柔性电子学、特别是有机电子学等领域取得了大量系统性、创新性的研究成果，以第一或通讯作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Chemistry、Nature Electronics以及Nature Communications等国际主流SCI学术期刊发表研究论文760余篇，H因子131，国际同行引用逾80000次，是材料科学与化学领域全球高被引学者。获授权美国、新加坡和中国等国发明专利360余项，出版《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《有机光电子材料在生物医学中的应用》《OLED显示技术》等学术专著。