2022年6月2日，Chem期刊在线发表了武汉理工大学麦立强教授团队在场效应储能芯片研究上取得的新进展，题为“Quadrupling the stored charge by extending the accessible density of states”。课题组通过在储能材料中原位构筑梯度费米面结构，拓宽了材料的嵌入能级，使得电极材料离子迁移速率提高10倍，材料容量提高3倍以上。
晏梦雨、王佩瑶、潘雪雷为论文的共同第一作者，麦立强教授为论文的唯一通讯作者。
纳米器件，例如细胞内记录传感器、电子设备、太阳能电池、热电转换设备和纳米发电机，有望成为免维护植入式生物传感器的基本组成部分。传统上，集成器件包含三个关键组件：能量收集、能量存储和功能组件（例如传感器、数据发送器和数据控制器）。储能设备可以存储由太阳能电池、纳米发电机或热电转换设备收集的离散能源，然后持续为传感器和电子设备供电。因此，作为集成免维护器件中不可或缺的组成部分，纳米级储能器件的发展具有重要意义。场效应广泛用于纳米级电子器件，例如用于逻辑电路和放大器的晶体管，电子相变和液/固界面的调制，以实现液门控界面超导电性。尽管将磁场与电化学储能器件结合使用已显示出一些有趣的效果，但它需要在器件中加入磁性成分，因此限制了其应用。目前，电场效应尚未集成到电化学储能器件中。尽管电化学储能装置在发生电荷转移时会改变电子特性，但电子态密度（EDOS）的调制与储能过程的直接联系尚不清楚。
本研究工作中，麦立强教授团队提出了调制材料费米能级结构实现储能芯片性能倍增的新思路，设计构筑了一种场效应储能芯片新架构，实现了电化学工况下材料费米面梯度的原位调控和性能提升。研究表明，通过在储能材料中原位构筑梯度费米面结构，拓宽了材料的嵌入能级。施加场效应后，离子迁移速率提高10倍，材料容量提高3倍以上。这一研究成果解决了费米面梯度对电化学反应影响机制不明确的科学难题，实现了纳米线容量与反应电势的协同提升，填补了场效应储能芯片领域的空白，为储能芯片在物联网等领域的应用奠定了科学基础。
图1：单根纳米线场效应储能器件示意图
图2：单根α-MnO2纳米线场效应储能器件电化学性能
图3：单根α-MnO2纳米线场效应储能动力学分析
图4：场效应储能器件增强机理分析
在储能芯片领域，麦立强教授团队设计构筑了国际上第一个单根纳米线电化学储能器件，实现单纳米基元电化学储能器件从0到1的突破（Nano Lett., 2010, 10, 4273），进而研制出多点接触型等10套单纳米基元微纳电化学器件（Nat. Commun. 8 (2017) 64; Adv. Mater. 29 (2017) 1604464; Nano Lett. 7 (2017) 4109）。因该开创性成果，受Nature邀请发表了该刊首篇以单根纳米线电化学器件为代表的实时监测电池退化专题论文（Nature 546 (2017) 469）。该工作是团队在储能芯片领域的又一突破。
本研究得到了国家重点研发计划-变革性技术关键科学问题（2020YFA715000）和国家重大科研仪器研制项目（52127816）的支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.05.004
