電化學驅動器的變形機理研究取得新進展

超級電容器通過電解質離子在電極/電解質界面上可逆的電化學作用來存儲電荷。這種電化學行為已被廣泛應用於電能到機械能的轉換，該類器件被稱為電化學驅動器（EC-actuator）。由於具有低變形電壓、優異的變形能力、輕質和易加工等特點，電化學驅動器在機器人和人工智慧領域引起了極大關注。MnO2作為最具代表性的氧化還原贗電容材料，在電化學驅動器上有明顯的潛在應用。

中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室研究員閻興斌課題組多年來致力於超級電容器電極材料製備、器件組裝與儲能機理的研究。最近，該團隊製備了一種自支撐的MnO2/Ni雙層電極薄膜材料。該電極在電化學充電放電過程中，展示出快速、大量和可逆的變形。

通過分析電極的電化學數據和變形過程，發現該雙層薄膜的變形和MnO2的電荷儲存過程有著密切的關係。使用原位原子力顯微鏡、原位拉曼光譜測試和第一性原理計算分析發現：在電化學掃描過程中，MnO2材料的本徵氧化還原贗電容行為（Mn元素價態的可逆轉換），伴隨著電解液中Na 離子的嵌入脫出，導致了MnO2微米球的可逆膨脹與收縮。這種體積變化，與非活性並且沒有變化的金屬Ni層對抗，引起了自支撐的MnO2/Ni雙層電極薄膜電極的可逆變形。這與有限元分析模擬得到的結果一致，表明了機理研究的準確性。

該研究實現了氧化還原贗電容性的MnO2材料新的應用，並且系統梳理了電化學電容器和電化學驅動器兩種電化學器件之間的內在聯繫。更重要的是，該項工作對未來開發更優異的電化學驅動器具有重要意義。該研究近期在線發表於《先進功能材料》（Advanced Functional Materials，DOI: 10.1002/adfm.201806778）。工作得到國家自然科學基金和蘭州化物所「一三五」規劃重點培育項目的資助和支持。

圖1. (a)雙層電極的電化學測試和變形觀測示意圖；(b)不同掃速下的比容量和最大彎曲角度對比；(c)兩種掃速下的電化學驅動過程照片；(d)彎曲角度和驅動變形量的統計。

圖2. 自支撐雙層電極電化學驅動的機理展示示意圖和測試、表徵數據概括。

來源：中國科學院蘭州化學物理研究所

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