近日,清華大學(xué)材料學(xué)院黃正宏研究員課題組在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)《ACS Nano》期刊上在線(xiàn)發(fā)表了題為《水蒸氣選擇性刻蝕:一種有效提高碳紙電極柔性和抑制體積膨脹的策略》(Steam Selective Etching: A Strategy to Effectively Enhance the Flexibility and Suppress the Volume Change of Carbonized Paper-Supported Electrodes)的研究論文。該論文提出了一種水蒸氣選擇性刻蝕的方法,獲得了具有良好柔性和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的鋰離子電極材料,為提高電極材料的柔性以及抑制充放電過(guò)程中體積膨脹提供了新的思路。
柔性鋰離子電池需要在彎曲,折疊或壓縮的狀態(tài)下工作,并且在上述條件下具備足夠高的容量和長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性,有望在未來(lái)便攜式、可穿戴電子設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。紙、碳布、棉布和一些紡織品等因具有良好的柔性而被直接用作構(gòu)建柔性電極的基體,但其本身較差的儲(chǔ)鋰能力,降低了整個(gè)電極的比容量/能量密度,被視為“死質(zhì)量/體積”。對(duì)于紙基材料,通過(guò)高溫炭化將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)量輕、高儲(chǔ)鋰活性的導(dǎo)電碳纖維,可以消除這部分“死質(zhì)量/體積”,但炭化后的基體脆性很大,失去柔性。另外這些電極材料負(fù)載高容量活性物質(zhì)(如金屬氧化物Fe2O3, MoO2, SnO2 and V2O3等)會(huì)面臨嵌鋰/脫鋰過(guò)程中體積變化大而引起循環(huán)穩(wěn)定性差的問(wèn)題。
碳紙電極材料合成示意圖、電池性能及制成表鏈的全電池點(diǎn)亮LED手表圖片
針對(duì)碳紙電極的脆性大以及循環(huán)穩(wěn)定性差的問(wèn)題,本研究提出了水蒸氣選擇性刻蝕的策略,成功解決了這些問(wèn)題。炭化過(guò)程中水蒸氣會(huì)選擇性刻蝕掉與氧化物相鄰的碳原子,使氧化物鑲嵌到纖維里邊,形成蓮蓬狀結(jié)構(gòu),有效抑制氧化物的體積膨脹,提高電極的循環(huán)穩(wěn)定性。另外,水蒸氣刻蝕引入的孔隙及時(shí)釋放了彎曲產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力,從而增強(qiáng)炭化紙電極的柔性。組裝成的柔性全電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和可彎曲性,顯示出在可穿戴設(shè)備中應(yīng)用的潛力。
論文第一作者為材料學(xué)院2015級(jí)博士生張文杰,導(dǎo)師為翁宇慶院士和黃正宏研究員(通訊作者)。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.9b01173
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