开发高性能电极材料是储能电池研究的核心科学问题之一。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所仿生能源系统团队负责人、中科院“百人计划”入选者崔光磊研究员等在储能电池电极材料研究方面取得一系列重要进展。
一般来讲，储能电池（以锂离子电池为例）有3个主要的动力学过程：锂离子在电解液中的传输过程；锂离子在电解液与电极表面的跃迁过程；锂离子在电极材料中的化学扩散过程（图1）。其中，第三个过程是决定性步骤。另外，这个过程还要符合扩散方程的限制，锂离子在固体电极材料中的扩散时间（τ）与扩散长度（L）的平方成正比，即：τ=L2/2D（D为锂离子的扩散系数）。当电极材料尺寸变小时，由于扩散路径缩短，锂离子在电极材料中的扩散时间减少，使得电极材料的倍率性能得以提高。
崔光磊团队以纳米结构的混合传输（电子和离子）电极材料为设计核心，兼顾构筑快速有效的传输网络和有利的界面，研究开发了高性能储能电池电极材料和电池新技术（图2）。基于氮化钛（TiN）具有良好的导电性、高化学稳定性和较好的经济性，设计了新型纳米结构的TiN/MnO2材料（Energy Environ. Sci., 2011, 4 (9), 3502 – 3508）、介孔TiN纳米球（ACS applied material interf. 2011, 3, 93-98）以及同轴的TiN-VN材料（ACS applied material interf. 2011, DOI:10.1021/am200564b）用作高能电容器的电极材料。研究结果表明，上述复合材料能表现出较好的混合导电性并发挥较高的容量，可兼顾材料的能量和功率密度。其中，介孔TiN纳米球在较高的功率密度下，仍可保持45.0 Wh kg−1的能量密度。