北京化工大學邱介山&中國石油大學（華東）吳明鉑、胡涵Matter綜述：電極材料的激光輔助制備及調控研究進展

【引言】

電極材料不同尺度的結構特征對其電化學性能均具有顯著影響，如何實現在多個尺度下對電極材料進行可控調節是該領域關注的熱點。由于可實現在低功耗下快速、精準以及高度可控的材料加工，激光輻照技術近年來被廣泛用以制備和調控電極材料，并在缺陷可控引入、異質結構精準構筑以及一體化電極原位制備等方面展現出獨特的優勢。

近日，北京化工大學邱介山教授&中國石油大學（華東）吳明鉑、胡涵教授等在Cell姊妹刊Matter上發表了題為“Laser Irradiation of Electrode Materials for Energy Storage and Conversion”的綜述文章。文章總結了激光輻照技術在電極材料制備及改性方面的最新進展，并特別強調其在缺陷、異質結以及一體化電極構筑等方面的獨特優勢。在對激光輻照技術原理進行簡單介紹后，作者分析了激光輻照參數對材料結構的影響規律并總結了利用激光輔助技術調控納米碳、金屬以及化合物納米晶等電極材料的研究進展和應用特性。最后，作者詳細分析了該領域所面臨的挑戰，并對未來的發展趨勢進行了展望。

【圖文導讀】

圖1、激光輻照調控電極材料結構

圖2、激光原理、類型以及激光誘導效應

（A）受激輻射示意圖。

（B）不同介質受激輻射產生的激光波長分布。

（C）不同類型激光誘導效應示意圖。

（D）激光輻射下硅的蒸發時間分辨圖像。

圖3、激光輻照參數對產物結構的影響

（A）激光液相燒蝕制備單分散納米晶示意圖。

（B，C）PbS納米粒子在激光輻照前（B）、后（C）的電子顯微圖像。

（D，E）空氣（D）和氬氣（E）氛圍中制備的LIG（激光誘導石墨烯） 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

（F）激光輻照條件下納米粒子形貌隨溶液反應性及脈沖次數的變化規律。

（G）不同激光工作距離對致熱區域的影響。

圖4、激光輻照調控納米碳材料的結構缺陷

（A-D）激光誘導外延生長N摻雜石墨烯。

（E-G）激光誘導原位制備B摻雜石墨烯。

（H-J）激光輔助調控石墨烯中摻雜氮的類型。

（K, L）LIG中的本征缺陷。

（M-Q）激光液相燒蝕輔助暴露過渡金屬單原子催化劑活性位點。

圖5、激光輻照調控金屬化合物的結構缺陷

（A-C）氮摻雜SnO2粉體的激光誘導大規模制備裝置及產物的結構表征。

（D，E）激光誘導定位摻雜MoS2納米片。

（F，G）激光誘導合成富含氧空位的Co3O4納米粒子。

圖6、金屬納米晶中的典型缺陷

（A，B）Ag納米晶的堆垛層錯示意圖（A）和球差校正高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（AC-HAADF-STEM）圖像（B）。

（C）多晶Pd納米顆粒的AC-HAADF-STEM圖像。

（D-F） 負載Au單原子的Ru納米顆粒元素分布圖像及其AC-HAADF-STEM圖像（E和F）。

圖7、激光輻照構筑異質結

（A）一步激光誘導制備異質結構的典型過程。

（B-D）碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒異質結構的TEM圖像。

（E）金屬有機框架（MOF）納米棒修飾石墨烯納米片的TEM圖像。

（F）NiFe 層狀雙金屬化合物（LDH）負載Ni納米顆粒的TEM圖像。

（G）激光輻照制備金屬/半導體異質結示意圖。

（H，I）RGO-GO異質結。

（J-L）有機物包覆石墨烯在激光輻照前后的電阻與柵極電壓曲線（J）、拉曼光譜（K）以及在石墨烯納米片上制備任意形狀p-n結的示意圖（L）。

圖8、激光直寫技術制備一體化電極

(A) 激光直寫技術在GO薄膜上制備自支撐石墨烯電極示意圖。

(B) LIG的SEM俯視圖像。

(C) LIG截面的 SEM圖像。

(D) 激光直寫技術在刮涂法制備電極上構筑電解液傳輸通道。

(E) 激光輻照和層壓實體制造技術結合制備復雜結構電極。

(F) 激光輻照技術制備的大面積石墨烯電極。

(G) 直接在GO膜上制備任意形狀電極。

(H) 激光直寫電極陣列的串聯和并聯。

(I) 激光輔助制備叉指型結構器件。

圖9、激光輔助制備超級電容器的性能

（A）基于激光直寫RGO電極的超級電容器性能。

（B-H）本征缺陷對石墨烯電子結構以及電容特性的影響。

（I-K）基于負載導電MOF納米棒石墨烯電極的超級電容器結構及性能。

（L-R）激光輔助構筑具有復雜圖案的超級電容器。

圖10、激光輔助構筑電極材料及器件在可充電電池中的應用

（A-C）脈沖激光沉積（PLD）技術制備Fe2O3薄膜電極的TEM（A），SEM（B）圖像及其電化學性能（C）。

（D-F）不同N含量N-SnO2的電化學儲鋰特性。

（G-J）激光輔助技術制備鋅離子電池。

圖11、激光輔助制備電催化材料的性能

（A，B）富含氧空位Co3O4納米顆粒的合成（A）及其產氧（OER）性能（B）。

（C）激光液相燒蝕法制備Co3O4納米顆粒的氧還原（ORR）性能。

（D，E）NiO / NiFe LDH的OER性能。

（F）NiO、NiFe LDH和NiO / NiFe LDH中Ni陽離子的X射線吸收光譜。

（G-I）激光輔助制備一體化水電解裝置及其電解水性能。

【小結】

激光輻照技術在電極材料多尺度精準調控方面具有獨特優勢，在過去的十年里受到了研究者廣泛的關注。盡管取得了令人矚目的進展，但這一新興領域的研究仍處于起步階段，仍有一些艱巨的挑戰有待解決：

1. 激光輻照調控電極材料的確切機制仍不明確，極大限制了研究人員根據實際需要設計激光輔助加工過程的可能性；

2. 激光加工過程對工藝參數高度敏感，某一過程參數的微小偏差將導致完全不同的實驗結果，這不利于不同實驗室研究成果間的比較。

盡管存在上述挑戰，但不同背景的研究人員通過跨學科交流有望加深對這一領域基礎科學和技術問題的理解。我們堅信，隨著對激光加工過程越來越深入的理解，研究人員有望精確掌握不同材料/原料在激光輻照下的結構演化規律，有助于實現根據器件的實際使用需求定制電化學能源存儲/轉化材料。

文獻鏈接：“Laser Irradiation of Electrode Materials for Energy Storage and Conversion”

https://secure.jbs.elsevierhealth.com/action/getSharedSiteSession?redirect=https%3A%2F%2Fwww.cell.com%2Fmatter%2Ffulltext%2FS2590-2385%2820%2930234-4&rc=0

（本文由中國石油大學（華東）重質油國家重點實驗室投稿。）