“三位一体”集成化纤维膜助力柔性和高负载锂

日期:2019-11-08编辑作者:北京赛车官方正版投注

随着人们对于便携式可穿戴电子设备日益增长的需求,研发兼具高能量密度和柔性的能源存储设备备受关注。锂硫电池具有远高于目前商业化锂离子电池的理论能量密度,被认为是“后锂电池时代”最具前景的储能器件之一。但是,锂硫电池仍然存在诸多问题,如可溶性多硫化物在正负极间的穿梭、活性物质硫低的负载量、电极较差的机械强度等,这些都严重阻碍了其实用化进程。特别在柔性应用中,常规隔膜、电极和集流体之间的堆叠设计难免会使各组件在反复弯折中产生空隙和错位,引起绝缘硫化锂的不均匀沉积以及界面问题,造成电池的容量衰减并产生安全隐患。

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该研究工作以《“三位一体”集成化纤维膜助力柔性和高负载锂硫电池》为题,在环境能源领域顶级期刊《先进能源材料》上发表,并被评为当期“内封面”,西安交通大学王嘉楠博士为本论文的第一作者,西安交通大学为第一署名单位。

近日,中科院合肥研究院等离子体所王奇博士和南京师范大学韩敏教授课题组合作,在高性能杂原子掺杂石墨烯基纳米结构的规模化制备及其在柔性全固态超级电容器应用方面取得重要进展。部分研究成果已在线发表于国际著名SCI期刊Small上( Front Cover。

针对以上问题,西安交通大学能动学院延卫教授课题组、理学院丁书江教授课题组与剑桥大学郗凯博士合作,巧妙利用集成化策略构筑了正极、集流体和隔膜“三位一体”的柔性纤维膜,并成功将其应用于锂硫电池中。该一体化纤维膜展示了出色的柔韧性,在反复弯折过程后依然保持了良好的机械性能。得益于各层级间的协同作用,该集成化体系还实现了多硫化物锚定、电子/离子高效传导以及高硫面载量。在实际应用中,该锂硫柔性软包电池亦可在180度反复弯曲状态下稳定点亮由30个LEDs组成的灯带,具有广泛的应用前景。本研究集成化柔性电池的构筑思路可为便携式柔性储能系统的发展提供借鉴。

图2.3D掺杂石墨烯基柔性全固态超级电容器的构建及性能测试

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这项工作提出了原位集成和组装2D纳米结构单元来构建3D多孔杂化纳米建筑或骨架材料的新策略,且具备规模化制备的前景,为今后理性设计高性能的杂化电极材料,发展柔性功率源或能量储存装置铺垫了道路。此外,通过优化设计和组合,还有望延伸出其它类型的多功能3D多孔骨架材料,后续工作正在进行之中。

该项研究受到国家自然科学基金、中国博士后基金、陕西省自然科学基金等多个项目的支持。

为满足人们对柔性可穿戴电子产品日益增长的需求,迫切需要发展柔性全固态功率源或能量储存装置。要想实现这一目的,关键在于设计开发出兼具优异储能和机械性质的电极材料。杂原子掺杂石墨烯以及2D层状金属硫化物纳米结构的出现,为高性能电极材料的设计带来了新的契机,但其储能性能(能量密度、循环稳定性等)尚需进一步提高。能否将上述两类材料有效“联姻”或耦合,从而发展出高性能的电极材料,至今仍是材料科学和化学领域极具挑战性的课题。

上述工作得到了国家自然科学基金、中科院合肥研究院院长基金特别支持项目的资助。

随后,进一步研制出了柔性全固态超级电容器器件ASSSCs,展现出优异的电化学储能性能:面积比电容高达2.98 mF cm-2、优异的长程循环稳定性(99% for 10000 cycles)、优秀的柔性和机械稳定性(可反复折叠或弯折1000次以上而性能不变),优于报道的石墨烯、2D SnSe2和SnSe以及3D GeSe2纳米结构基柔性ASSSCs。

针对上述问题,王奇博士和韩敏教授课题组开展了合作研究,利用可控热转换油胺包裹的SnS2-SnS混相纳米盘前驱物的策略,巧妙地将有机分子的碳化、掺杂、相转换和自组装等重要的物理化学过程集成于一体,首次成功实现了硫掺杂石墨烯和SnS杂化纳米片的原位合成与组装,得到了新颖的3D多孔SnS/S-G 杂化纳米建筑(HNAs,如图1所示)。相比传统合成策略,该方法具有简单高效、重现性好、可规模化制备等优点,为延伸和拓展掺杂石墨烯材料在清洁能源、光电和传感等重要技术领域的应用奠定了基础。在三电极体系中以KOH溶液作为电解液,所得3D石墨烯复合材料质量比电容高达642 F g-1 (电流密度为1 A g-1),远高于近来报道的石墨烯复合物和其他电活性材料(如体相和纳米级的SnS及其复合物、G-Mn3O4纳米棒、G-CoS2、2D CoS1.07/N- C纳米杂化体等)。

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图1. 3D掺杂石墨烯基杂化纳米材料制备示意图及其结构表征

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关键词: 电池 柔性 集成化 硫化物

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