填补场效应储能芯片空白，中国科学家实现场效应下材料存电能力3倍增强，纳米线容量与反应电势协同提升

电化学储能芯片是工业物联网、智慧农业、医疗无线监测等领域发展所需的核心电子元件。然而，储能芯片就像一个“黑匣子”。为何这样说呢？

实际上，储能芯片在工作过程中，会伴随一系列复杂的电化学反应和材料的结构变化。因此，只能实时地获得储能芯片的电流、电压等信号。但无法在工作过程中，对储能芯片中的关键材料及界面进行实时监控，这些因素限制了储能芯片的调制和优化。

针对该问题，武汉理工大学团队通过设计制造单纳米基元电化学器件，使储能芯片电子输运及其电子结构的实时检测成为了可能。该研究证明了场效应在储能器件中的新应用，作为一种改善离子扩散的通用策略，可以大幅度地提高纳米级器件的电荷存储能力。

▲图丨相关论文（来源：Chem）

近日，相关论文以《通过拓宽态密度使存储电荷翻两番》（）为题发表在 Cell 子刊 Chem 上[1]。该论文通讯作者为武汉理工大学材料学科首席教授、该校材料科学与工程学院院长教授。

相关实验表明，场效应晶体管不仅可以作为纳米器件的功能组件，还可以作为纳米储能单元的放大器。表示，“通过在储能材料中原位构筑梯度费米面结构，拓宽材料的嵌入能级。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。”

▲图丨麦立强（来源：）

该领域历来面临着电化学反应中费米面梯度作用机制不明晰的挑战，该研究使这个科学难题“迎刃而解”，这是该团队在储能芯片领域的又一突破性进展。

填补场效应储能芯片领域的空白

为武汉理工大学材料学科首席教授、博士生导师、武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家。

他在武汉理工大学获工学博士学位之后，在美国佐治亚理工学院、哈佛大学、加州大学伯克利分校分别从事博士后、高级研究学者的相关研究，其主要研究方向为纳米储能材料与器件。

▲图丨麦立强团队（来源：）

该团队调制材料费米能级结构的构想来源于场效应晶体管。在电子元件中，处理器与储能芯片往往同时存在。其中，储能芯片作为能量储存器件，为电子元件供能，实现元件的不间断使用，而处理器则是通过将场效应晶体管互相连接，实现逻辑操作与运算。

因此，教授与团队考虑，是否能用电子元件中数以亿计的场效应晶体管，来调控储能芯片的性能呢？

2014 年，他们首次在实验中观察到该现象，但当时存在两个挑战。第一，从电化学的理论出发，很难理解费米能级高度变化以及能够导致容量的大幅上升的原因；第二，其所构筑的器件稳定性不够高，很难确定该现象是否具有普适性。

在先前的工作中，该团队在储能芯片领域进行了系列研究。从该领域突破性角度，他们在国际上研发了首个单根纳米线电化学储能器件，使单纳米基元电化学储能器件实现“从 0 到 1”的突破，进行了单纳米基元电化学信号的原位测量[2]。“我们团队建立原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。”说。

随后，他们还发明了单纳米基元微纳电化学器件，包括点接触型等在内共 10 套[3,4,5]。湘潭大学材料科学与工程学院教授（原美国桑迪亚国家实验室研究员）（J. Y. Huang）对该技术评价称：“纳米线电极充放电过程的实时观测，为检测纳米尺度的反应机理提供了深刻见解，指导开发高功率密度、能量密度和长寿命的新一代锂离子电池”[6]。

美国莱斯大学材料科学与纳米工程系教授普利克尔·阿贾扬（）则评价道：“在单根纳米线内检测锂离子的嵌入是在纳米尺度研究锂离子电化学的强有力诊断工具 [7]。”

由于系列创新性研究成果，团队还在 Nature 的邀请下，撰写了“实时监测电池退化”专题论文，这也是 Nature 第一篇的该领域相关专题论文[8]。该团队以提出的单纳米基元微纳电化学器件为主要研究成果，并获得了 2019 年度国家自然科学二等奖。

▲图丨储能设备和数十亿个晶体管都被集成到微型芯片中（来源：Chem）

为储能芯片在物联网等领域的应用奠定科学基础

“团队提出了调制材料费米能级结构，为实现储能芯片性能倍增提供了新思路。”美国阿贡国家实验室研究员哈利勒·阿明（）说。在本次的新研究中，该团队利用场效应储能芯片，在电化学工况下，使材料费米面梯度的原位调控以及性能得到了双方面的提升。

纳米级储能器件在无维护微处理器和纳米级能量采集、传感技术中发挥着至关重要的作用。在该研究中，团队证明了作为微处理器核心组件的场效应晶体管，也可以作为纳米级储能器件的放大器。在场效应下，实现了 3 倍增强的电荷存储，为高性能纳米自功率系统铺平了道路。

场效应储能装置集成了一个电化学器件结构与栅电极结构，而二氧化锰纳米线在电化学上既作为阴极，也作为场效应的沟道。通过这种结构，该团队能够更好地理解栅极电压如何影响电极/电解质界面和由此产生的储能行为。

从储能芯片的性能指标来看，在施加背栅电场后，结果显示电极材料离子迁移速率提升了 10 倍，而材料容量的提升幅度为 3 倍以上。从电化学理论角度，通过该研究，该团队揭示了材料费米能级结构对其电化学性能的影响规律。实验结果表明，这一理论也可以扩宽到其他多种电化学反应中。

▲图丨现场效应储能装置的结构（来源：Chem）

表示，在发现场效应可以提高储能芯片电化学这一现象之后，他们意识到需要跳出电化学领域，到半导体物理领域中寻找答案。

在该研究过程中最大的挑战在于，不同学科领域的科学语言互不相通。举例说道：“在电化学中，我们称材料所处的能量状态为‘电位’（Potential），但在半导体物理中并没有这一表达。”

为解决该难题，该团队在查阅大量的书籍与文献后发现，原来对于同一词语的表达，在不同领域的说法是不同的，例如半导体物理中的“费米能级”（Fermi Level）对应于电化学中的“电位”一词。找到了这把“钥匙”，相关的难题便可被逐一攻破了。

据了解，该研究的进展也并非一帆风顺。由于其他项目的推进，导致这一课题被搁置了很久。一直到 2020 年新冠疫情爆发、武汉封城，老师和学生们都在家中，无法去学校工作。“这也使得我们有机会去深入研究半导体物理学。该研究使我更深刻的意识到学科交叉的重要性，也体现了科学向综合性发展的趋势。”他说。

将积极推动“产能-储能-供能”一体化微型器件的产业化发展

该团队期望下一步能将其制备的原型器件推广，实现规模化的工业生产，以满足物联网等新兴市场对储能芯片的需求。他们将围绕关键电极材料优化、电解液、隔膜改性、器件组装等多个方向进行攻关。

“通过与电子工程、生物工程等相关领域的科学家讨论，推动‘产能-储能-供能’一体化微型器件的产业化。使得我们的研究既能上书架、也能上货架。”表示。

▲图丨浸入 6 M KOH 水溶液中的 α-MnO2 纳米线开路电位和能带图

（来源：Chem）

对于储能芯片的发展，他认为，目前，储能芯片的研究还主要处于基础研究的阶段，但在未来 3 至 5 年会逐渐起步，并最终进入爆发式发展阶段。“与此同时，一些企业和研究机构开始向储能芯片领域投入大量资源，进行技术攻关。一方面，储能芯片是社会发展的需要；另一方面，也需要国家政策的引导和扶持。”

他期待，该技术在储能芯片、电子工程、生物工程等领域科学家的共同努力下，会有更多的工程师、企业家能加入到储能芯片的研发与推广中。并通过多学科的交叉融合，发挥好各自的优势，共同推动储能芯片领域的发展。

参考资料：

1.Mengyu Yan et al. Chem（2022）.https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.05.004

2.Liqiang Mai, Yajie Dong, Lin Xu, Chunhua Han, "Single Nanowire Electrochemical Devices", Nano Letters 10, 4273-4278(2010).

3.Peiyao Wang, Mengyu Yan, Jiashen Meng et al. "Oxygen evolution reaction dynamics monitored by an individual nanosheet-based electronic circuit", Nature Communications 8, 645(2017) .

4.Xiaocong Tian, Mengzhu Shi, Xu Xu et al. "Arbitrary Shape Engineerable Spiral Micropseudocapacitors with Ultrahigh Energy and Power Densities", Advanced Materials 27, 7476–7482(2015).

5.Nano Letters 7,4109(2017).

6.Nano Letters 11,4535(2011).

7.Nano Letters 11,3329(2011).

8.Liqiang Mai, Mengyu Yan and Yunlong Zhao et al. "Track batteries degrading in real time", Nature 546,469.(2017).

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