電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的變形機(jī)制研究取得新進(jìn)展

超級(jí)電容器通過(guò)電解質(zhì)離子在電極/電解質(zhì)界面上可逆的電化學(xué)作用來(lái)存儲(chǔ)電荷。這種電化學(xué)行為已被廣泛應(yīng)用于電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，該類(lèi)器件被稱(chēng)為電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器(EC-actuator)。由于具有低變形電壓、優(yōu)異的變形能力、輕質(zhì)和易加工等特點(diǎn)，電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人和人工智能領(lǐng)域引起了極大關(guān)注。MnO2作為最具代表性的氧化還原贗電容材料，在電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器上有明顯的潛在應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室研究員閻興斌課題組多年來(lái)致力于超級(jí)電容器電極材料制備、器件組裝與儲(chǔ)能機(jī)制的研究。最近，該團(tuán)隊(duì)制備了一種自支撐的MnO2/Ni雙層電極薄膜材料。該電極在電化學(xué)充電放電過(guò)程中，展示出快速、大量和可逆的變形。

通過(guò)分析電極的電化學(xué)數(shù)據(jù)和變形過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該雙層薄膜的變形和MnO2的電荷儲(chǔ)存過(guò)程有著密切的關(guān)系。使用原位原子力顯微鏡、原位拉曼光譜測(cè)試和第一性原理計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：在電化學(xué)掃描過(guò)程中，MnO2材料的本征氧化還原贗電容行為(Mn元素價(jià)態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換)，伴隨著電解液中Na+離子的嵌入脫出，導(dǎo)致了MnO2微米球的可逆膨脹與收縮。這種體積變化，與非活性并且沒(méi)有變化的金屬Ni層對(duì)抗，引起了自支撐的MnO2/Ni雙層電極薄膜電極的可逆變形。這與有限元分析仿真得到的結(jié)果一致，表明了機(jī)制研究的準(zhǔn)確性。

該研究實(shí)現(xiàn)了氧化還原贗電容性的MnO2材料新的應(yīng)用，并且系統(tǒng)梳理了電化學(xué)電容器和電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器兩種電化學(xué)器件之間的內(nèi)在聯(lián)系。更重要的是，該項(xiàng)工作對(duì)未來(lái)開(kāi)發(fā)更優(yōu)異的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器具有重要意義。