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Small Methods:气溶胶喷雾热解技术在电化学储能材料研究中的应用

微观结构对功能材料的宏观性质、功能及应用具有极其重要的影响,探索材料独特的结构及相关的各种理化性质成为了各个领域的研究热点,包括电子、催化、医药、传感、能源、光电磁等。气溶胶喷雾技术(aerosol spray)是一种具有广阔应用前景的功能材料的组装制备方法和技术,它可以以液体或者悬浮液为前驱,通过简单、连续和快速的过程制备高纯、具有复杂结构和组成的材料,可实现材料的低成本宏量制备。


Small Methods:气溶胶喷雾热解技术在电化学储能材料研究中的应用


气溶胶合成可以分为气溶胶喷雾(aerosol spray),如喷雾热解、喷雾干燥、喷雾冷冻,气溶胶沉积(aerosol deposition),气溶胶辅助化学气相沉积(aerosol assisted chemical vapor deposition)以及气溶胶喷射打印(aerosol jet printing)等。气溶胶喷雾方法主要包括原子化、液滴到粒子转化、粒子收集三个步骤。溶液雾化后进入一系列反应器,气溶胶雾粒经历溶剂蒸发和溶质的浓缩、干燥或裂解,最终形成粉体材料。其最显著的特点就是采用液相物料前驱体通过气溶胶过程得到最终产物,兼具了气相法和液相法的诸多优点。通过改变过程参数如前驱体性质(组成、浓度、添加支撑组分等),过程参数如气溶胶发生器类型、载气种类/流速、反应器温度/尺寸、停留时间等,可以得到不同尺寸和形貌的产物。目前已广泛用于纳米粉体、纤维、薄膜等多种产物形态,以及金属、氧化物、非氧化物、复合材料等多种产物组成的材料制备。

对于气溶胶喷雾热解方法,颗粒的形成局限在单个液滴的空间内,作为一个微反应器,颗粒可以保持液滴本身的形状,因此该方法适合构造非团聚的球形材料。此外,通过控制快的升/降温速率以及短的停留时间,容易获得介稳或无定型结构的材料。与传统制备方法相比,气溶胶喷雾热解技术应用于电化学储能材料的制备具有十分独特的优势:前驱体以分子水平混合均匀然后形成雾状微粒,可以得到不同尺寸和结构的电极材料;分解过程产生的丰富孔道结构不仅有利于离子的传递,而且增大了电极、电解液接触面积;球形形貌可以提高储能器件的体积能量密度;此外,制备过程简单快速,过程可连续,易于产业化。

近日,南京航空航天大学、江苏省能量转换材料与技术重点实验室张校刚教授课题组总结了气溶胶喷雾热解技术在能量储存领域的最新研究进展,作者从该方法工作机理、过程参数控制,材料合成应用尤其是在锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等应用方面,综述了气溶胶喷雾技术在能源材料结构设计与制备开发的独特优势和研究进展,并展望了该技术在下一代新型电化学储能材料应用的未来机遇和挑战。

该综述工作发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700272)上。本文第一作者为南京航空航天大学博士研究生聂平,通讯作者为南京航空航天大学张校刚教授和窦辉教授。

相关工作得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金、国家留学基金委、江苏省自然科学基金、及江苏省科技支撑计划(工业)项目等项目的支持。



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