食盐加上金属合金，用这两种常见、低价的材料竟然可以组合成新工艺中的电池电极。并且，这种电极的制备可“一步到位”，而不用像传统的电池电极制备那样走过近十道工序。
这是怎样的新技术呢？近期， 天津大学与湖南大学团队合作，利用钴磷合金设计了一种“一步法”电化学腐蚀制备技术，实现了电池电极的极简制备。
利用钴磷合金在通电中性盐溶液中的“自主”电化学-化学反应，活性物质的最终堆积密度可高达 3.5g/cm 3 。
此外，该电极还具有非常高的储能性能，作为锂离子电池负极可稳定输出大于 2500mAh/cm3 的超高体积比容量（为迄今文献报道的最高值）。
从构效关系上来看，将活性材料直接构筑在三维导电基底上的纳米结构集成式电极， 在解决当前锂离子电池能量密度（充电多少）及功率密度（充电快慢）不足等问题上表现出巨大优势。
该技术不使用粘结剂、导电剂等制备传统电池电极所必须的非活性材料。因此，可以保证整体电池具有更大的平均存储电量，从而实现更高的实际能量密度。
而借助其导电基底的均质纳米结构设计，则可以实现活性物质的更好分布及与导电基底的良好接触， 以此实现离子与电子的同步快速传导，有助于提升电池整体的功率密度。
审稿人对该研究评价道：“该研究报道了一种简单的中性盐溶液介导的电化学脱合金方法，以解决无粘结剂纳米结构集成电极在电化学储能领域存在的缺陷。该电极不仅能负载 3.0g/cm3 以上的活性物质，而且具备优异的离子-电子混合传导能力和较高的机械稳定性，具有良好的实用前景。”
图丨相关论文（来源：Advanced Materials）
11 月 29 日，相关论文以《基于钴磷合金箔工程设计用于高效电化学储能的集成型一体化电极》（）为题发表在 Advanced Materials 上[1]。
图丨吉科猛（来源：
天津大学“北洋学者·英才计划”特聘研究员与湖南大学材料科学与工程学院教授为该论文的共同通讯作者，天津大学化工学院硕士生吴梦倩（已毕业）为论文的第一作者。
借“自然之力”形成集成型一体化电极
该技术最大的优势在于 利用非常简单的电化学腐蚀过程，就实现了具有高活性物质载量的电池电极制备。
“据我了解，当前任何其它技术都还无法做到这一点，我们的技术无论在电化学能源存储领域还是在电化学腐蚀领域都实现了较好的创新。”表示。
具体来看， 第一，该技术所用的原料非常常见， 即日常生活中的食盐和工业技术成熟的金属合金。 得益于腐蚀所得材料优异的组成结构，它不再需要制备传统电极所需的粘结剂、导电剂、金属集流体等任何辅助材料，就可直接作为电极来装配电池。
打胶、配料、匀浆、涂布、辊压、烘烤……这些传统电极制备时的复杂工艺步骤在该研究中均不涉及，“化繁为简”“一步到位”也使得 该技术具备高效的生产能力和显著的成本优势。
图丨 Co-P 合金在食盐溶液中电化学腐蚀过程示意图及所衍生集成型一体化电极材料的微观组成结构（来源：Advanced Materials）
进一步指出，这种合金衍生的电极就像芯片一样，制备出来后，简单地进行低温干燥处理就可以直接用于储能器件组装。
但与芯片制备不同的是，虽然其所涉及的化学反应比较多，但涉及人为控制的环节却非常少， 只需要提供中性电解液介导的电化学腐蚀环境，后续便可依靠电流、电压自身的作用“化腐朽为神奇”，可谓是“电极本天成，妙手偶得之”。
需要指出的是，电化学（或化学）腐蚀合金制备纳米多孔金属材料技术已发展多年，而本研究所提出技术的独特或创新之处在于，它用安全无害的食盐溶液替换了以往所用的、具有一定腐蚀性和危险性的酸、碱溶液，从而实现了意想不到的效果。
图丨Co 85 P 15 合金条带、其电化学腐蚀过程及所衍生电极样品的光学照片（来源： Advanced Materials ）
第二， 这种借“自然之力”形成的集成型一体化电极，还因其优异的组成结构表现出了优异的电化学储能性能。 表示，其中最关键的一点在于，该技术轻松地实现了以往技术中难以企及的超高活性物质负载量。
“这是提升电池储电量进而其能量及功率密度非常关键的一步，也是该技术在储能领域具备良好应用前景的核心要素。”
图丨相关论文图文摘要（来源：Advanced Materials）
在看来，该研究首要的难点在于合金的选择，以及厘清其在中性电解液中的具体反应机制。
他说道：“在研究之初，我也不清楚具体什么样组成的合金更适合这种电化学腐蚀技术。为了得到理想的电极材料，我们只能是‘炒菜式’地筛选原料、‘碰壁式’地积累经验。”
而该研究取得现在的突破也离不开湖南大学教授团队的鼎力支持。据悉，教授先前作为主要完成人已发表多篇钴磷合金相关的高质量论文，在该研究中，其团队发挥优势，在合金原料精细制备和结构解析方面为天津大学团队提供了很大帮助。
总地说来，该研究既是对电极制备技术的革新，也推动了电化学腐蚀技术的发展，并将电化学储能领域与合金腐蚀领域做了很好的技术串联。
每克成本预计在 1 元以内，可在纽扣型电池中直接应用
未来，如果想通过该技术大规模地制备电极，成本是必须考虑的重要因素。据团队介绍，由于这种电极的制备非常简单，在具有相关设备的情况下， 其成本主要取决于原材料的价格和生产的用电量。
表示，金属钴粉、单质磷以及氯化钠的价格都相对较低，整体估计下来， 每克电极的成本或可控制在 1 元之内。 当然，未来如能做到实际生产，还需考虑更多的因素。
该研究或将助力电化学腐蚀技术走向产业化或扩大其产业规模。 具体来说，一方面，它拓展了传统的电化学腐蚀技术，使之不再局限于制备纳米多孔金属，还可以制备功能性更强的金属基化合物，而将酸、碱等腐蚀性溶液替换为中性电解液后，则可大大降低对设备的抗腐蚀要求和增加该种技术的安全性，因此能够显著地扩大相关技术的应用范围。
另一方面，针对这种新型集成式储能电极，其它技术制备类似电极的工艺要复杂很多，尤其是活性物质负载量过低而无法满足实际需求。
而该研究提出的技术策略则很好地解决了这些问题， 所制备电极的一体化结构还为电极的本征高安全性提供了关键技术保障。
表示：“该研究相当于是用一种跨界的技术，解决了储能领域新兴集成式电极技术走向实用化的‘卡脖子’问题。这也启发我们，在今后的工作中，可以多尝试通过学科交叉研究来解决关键科学或技术问题。”
谈及该技术的落地前景，他指出，这种技术所制备出的电极会保持其合金原料的几何形貌，具有一定的脆性，目前还不能实现电极卷绕。
所以， 该技术当前可直接应用于对电极形状无特殊要求的储能器件，比如该研究测试所用的纽扣电池等。
对该技术的产业化发展持开放态度，他说：“我们更擅长于基础科学以及应用基础研究，如果有企业想布局这种‘芯片式’电极技术，可以通过天津大学国家储能技术产教融合创新平台与我们共同讨论。我们也很愿意合作将之进行专利技术转化，实现优势互补、合作共赢。”
从海外交换生到青年骨干教师，志于解决锂金属负极的实用化问题
先后获得北京工业大学应用化学专业、日本东北大学材料学专业的双工学博士学位。他在国内硕博连读时的研究方向为先进材料合成及催化应用。
在他读博士第二年时，恰有一个为期一年的校际交换生项目，可到日本东北大学学习。在新实验室，他开始接触电化学腐蚀材料制备技术，并逐步进入电化学储能研究领域。
三个月后，他便在实验室师姐的指引下“妙手偶得”这种集成型一体化电极，并开始“痴迷”于解密其兼具的高能量密度和高功率密度这一有违“常识”的优异储能性能。
虽然该项目的研究论文至今未公开发表，但正是得益于十年前他在交换生期间的这一工作，才取得了本次研究的突破性进展，这也促使其在国内博士毕业后再次回到了日本东北大学留学深造。
图丨吉科猛为天津大学学子讲述“科研来时路”（来源：）
回顾过去，科研之路的“高光时刻”支撑着他一路前进。国内博士毕业时，他几乎以“大满贯”的方式获到了博士学位。
“非常感谢导师教授的辛勤栽培，让我得以在不足三年的科研时间里取得了丰硕的研究成果，还‘放任’我去国外一年来提升科研视野。”他不无感激地说。
而在日本攻读第二个博士学位时，不仅顺利入选了竞争激烈的日本学术振兴会特别研究员项目，其博士论文的章节内容还两次被 Nature 国际学术会议录用为口头报告、一次被录用为墙报。
这些都极大地增强了其转战电化学储能领域的信心，并让他有机会向储能领域世界顶级科学家展示其学术思想。
“正是这样的科研经历，让我确立了自己现在的研究方向，并有幸进入电化学储能这一国家重要战略研究领域，”说道。
2019 年 5 月，他正式受聘为天津大学“北洋学者·英才计划”副教授（特聘研究员）入职天津大学化工学院，随后入选天津大学“北洋学者·青年骨干教师计划”，并担任硕士生导师。
图丨--团队（来源：该团队）
目前，所在团队的主要研究领域为电化学储能材料与器件，而鉴于碳材料在锂离子电池、钠离子电池等众多电化学储能器件中的共性支撑作用，储能碳材料一直是团队的主要研究方向。
该团队创始人教授是“中国炭素杰出成就奖”和国家自然科学二等奖获得者，现团队领头人教授则作为国家科技部 863 项目首席、完成了“基于软碳负极材料的锂离子储能电池系统关键技术及示范”项目结题。
而作为教授（2021 年荣休）团队的传承人，也已在该研究方向有所建树：基于所创制的双层石墨烯泡沫碳材料，揭示了锂在石墨（烯）型碳负极材料中的基元电化学存储机制，并提出了石墨型碳储锂-储能的首个二维平面模型 [2，3]。
近期，他又携团队发明了一系列具有优异储能组成结构的有序大孔类石墨烯型碳材料（OMGCs）[4，5]。鉴于该原创材料理想的储能构造，他希望能在基于金属锂负极的高比能电池上有所突破，未来可助力解决锂金属负极面临的诸多实用化难题。
参考资料：
1.Mengqian Wu, Jiang Wang, Zhaozhao Liu, et al. Engineering Co-P alloy foil to a well-designed integrated electrode toward high-performance electrochemical energy storage, Advanced Materials (2022). https://doi.org/10.1002/adma.202209924
2.Kemeng Ji, Jiuhui Han, Akihiko Hirata, et al. Lithium intercalation into bilayer graphene, Nature Communications 10 (2019) 275. https://www.nature.com/articles/s41467-018-07942-z 3.石墨烯电池：神话，还是泡沫？http://www.nanoer.net/e/action/ShowInfo.php?classid=32&id=21929
4.Zhaozhao Liu, Jiang Wang, Ran Bi, et al. Ultrasmall NiS2 nanocrystals embedded in ordered macroporous graphenic carbon matrix for efficiently pseudocapacitive sodium storage, Transactions of Tianjin University (2022). https://doi.org/10.1007/s12209-022-00338-7
5.Kemeng Ji, Jiuhui Han, Bo Wang, et al. Nanocrystalline C-Ni hybrid nanoporous monoliths for large-capacity and ultrahigh-rate energy storage. Available at SSRN (2018). https://doi.org/10.2139/ssrn.3207211
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