五邑大学Small：首次实验可视化\"底部效应\"，提出\"末端反射\"模型助力电化学器件寿命翻倍

纳米人

2026-01-23

近日，五邑大学应用物理与材料学院/柔性传感材料与器件研究中心唐秀凤、罗坚义团队与新南威尔士大学Jessica Yajie Jiang等合作在国际知名期刊《Small》上发表了题为"Experimental Visualization and the Mechanism of Current-Collector Geometry Effects on Ion Distribution and Device Longevity"的研究论文。该研究首次通过实验手段可视化了电化学器件中普遍存在的由集流体尺寸引起的离子分布不均现象（即"底部效应"），提出了"末端反射模型"揭示其内在机制，并设计了简单有效的"底部留白"策略，成功将器件循环寿命延长了一倍。

对于电化学器件而言，电极性能与阳离子的分布息息相关。虽然此前的模拟和建模研究已表明集流体几何形状会导致电流和电荷分布不均以及局部老化，但一直缺乏确凿的实验证据，其内在机制和解决方案也未被深入探索。

本工作针对这一领域空白，利用深度剖析XPS、全尺寸XRF和截面SEM等技术，在Li⁺(Na⁺)-WO₃₋ᵧ电致变色器件和Zn²⁺-MnO₂(V₂O₅)锌离子电池中，精确描绘了嵌入离子的3D分布特征。

研究发现，集流体底部的电流密度在离子注入过程中最大，而在抽取过程中最小，导致被捕获的阳离子在远离极耳的底部区域大量堆积，引发严重的"底部老化"。这种现象在长条形器件中尤为显著。

基于实验现象，研究团队创新性地提出了类似水流碰壁的"末端反射模型"（End Reflection Model）。基于该模型，团队设计了具有"超宽底部"或"底部微留白"的集流体。

实验结果表明，这两种设计有效消除了底部效应，使电极内的离子分布更加均匀，最终实现了器件循环寿命的倍增。这一发现是集流体几何效应研究的重要里程碑，为调控离子分布提供了全新的视角。

通过电流分布模拟和截面SEM图像证明，随着电极尺寸增加，Li⁺-WO₃₋ᵧ电致变色系统底部的结构退化愈发严重（即"底部效应"），揭示了底部区域在离子注入和抽取过程中的电流密度极度不平衡。

图2 "底部效应"在多种电化学体系中的普遍存在性

无论是Na⁺-WO₃₋ᵧ电致变色系统，还是Zn²⁺-MnO₂及Zn²⁺-V₂O₅软包电池系统，均通过XPS深度剖析和XRF线扫描证实了随着器件尺寸增大，离子在底部区域的异常堆积现象。

图展示了推测的末端反射模型：电流流经集流体末端时发生碰撞和反射，类似于水流动力学。基于此模型设计的"超宽底部"集流体（Sample wb）有效平抑了电流分布不均，消除了底部效应，显著降低了电荷密度衰减率。

图4 "底部留白"策略的验证与应用

通过在集流体底部预留微小空白区域（不涂覆活性材料），有效避免了末端反射带来的电流冲击。模拟与实验表明，随着留白宽度的增加（如0.3 cm），电极内部的离子分布趋于均匀，结构保持完整，器件的循环稳定性得到显著提升。

作者信息：

通讯作者：唐秀凤 (Xiufeng Tang), Yunfeng Zhan, Jessica Yajie Jiang, 罗坚义 (Jianyi Luo)

单位：五邑大学 (Wuyi University), 新南威尔士大学 (University of New South Wales)

论文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202508626