笔名：益达张兴愍
一、 【导读】
在电化学储能与转换器件（如电池、超级电容器、电致变色器件）中，电极的性能与阳离子的分布息息相关。尽管此前的模拟和建模研究已经表明，集流体的几何形状会导致电流和电荷分布不均，进而引发局部老化，但这一现象长期以来缺乏直接的实验证据，其内在的物理机制和有效的解决策略也未被深入探索。如何从实验上“看见”离子在电极内部的分布，并据此设计出长寿命的器件，是当前电化学领域面临的一大挑战。
二、【成果掠影】
近日，五邑大学应用物理与材料学院唐秀凤、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。
该研究利用深度剖析XPS、全尺寸XRF和截面SEM等表征技术，首次在Li+(Na+)-WO3-y电致变色器件和Zn2+-MnO2(V2O5)锌离子电池中，实验可视化了由集流体尺寸效应引起的“底部效应”（Bottom Effect）——即被捕获的阳离子倾向于在远离极耳的底部区域大量堆积，导致该区域严重老化。研究团队基于流体动力学类比提出了“末端反射模型”（End Reflection Model）来解释这一现象，并据此设计了两种新型集流体结构（超宽底部设计和底部微留白设计）。实验结果表明，这些简单的结构优化有效消除了底部效应，使电极内部离子分布更加均匀，成功将器件的循环寿命延长了一倍。
三、【核心创新点】
1. 首次实验可视化“底部效应”：突破了以往仅依赖模拟的局限，通过多尺度表征手段（XPS, XRF, SEM）直接观测到了长条形器件中离子在底部的异常堆积和由此引发的结构崩塌。
2. 提出“末端反射模型”：创新性地将电流在集流体末端的行为类比为水流的物理反射，揭示了底部电流密度异常波动导致离子“易进难出”的内在机制。
3. 普适且高效的解决方案：提出的“底部微留白”策略（即在集流体底部预留微小空白区域不涂覆活性材料）不仅工艺简单，且能显著抑制不均匀电流分布，在多种电化学体系中均实现了循环稳定性的倍增。
四、【数据概览】
图1 集流体尺寸依赖的”底部效应”的可视化
图1 集流体尺寸依赖的“底部效应”及微观结构演变
(a-c) 不同尺寸集流体（2*5 cm, 2*3 cm, 2*1 cm）的电流分布模拟及循环6000圈后的截面SEM图像。结果显示，随着集流体长度增加，底部区域出现严重的裂纹和结构粉碎，即“底部效应”；而在短集流体中分布均匀，结构保持完整。
图2 “底部效应”在多种电化学体系中的普遍存在性
- Na+-WO3-y电致变色体系的XPS深度剖析；(b-c) Zn2+-MnO2和Zn2+-V2O5软包电池的全尺寸XRF线扫描分析。数据证实，随着器件尺寸增大，离子在底部的堆积浓度显著高于顶部和中部，证明了该效应的普遍性。
图3 “末端反射模型”及其验证
(a-d) 考虑边缘效应的模拟与“末端反射模型”示意图（电流类比水流在末端发生反射）；(e-h) “超宽底部”集流体（Sample wb）设计及其性能验证。该设计有效平抑了电流分布不均，消除了底部微观裂纹，并将电荷密度衰减率降低了约50%。
图4 “底部留白”策略的验证与应用
(a-c) 底部留白（Blank）设计的电极结构、电流分布及电场模拟；(d) XPS深度剖析显示留白设计显著减少了离子捕获；(e-f) 循环6000圈后的SEM形貌与电化学性能对比。0.3 cm的微留白设计实现了最优的离子均匀分布和最高的容量保持率。
五、【成果启示】
本研究不仅填补了集流体几何效应在实验观测上的空白，更重要地是提出了一种基于物理机制的简易解决方案。研究发现的“末端反射模型”和“底部留白”策略具有高度的普适性，适用于各种长条形电化学器件（如软包电池、智能窗等）。这一成果为工业界在不改变现有材料体系的前提下，通过低成本的结构优化来大幅提升大规模储能器件的寿命和稳定性提供了全新的思路。
原文详情：
Experimental Visualization and the Mechanism of Current-Collector Geometry Effects on Ion Distribution and Device Longevity。Zehui Zhang, Yihan Hu, Qizhao Liu, Xiufeng Tang*, Jessica Yajie Jiang, Jiong Zhang, Yunfeng Zhan, Jianyi Luo*.Small:DOI: 10.1002/smll.202508626
本文由作者团队供稿
