我院吳興隆教授小組在柔性鈉/鉀離子電池領(lǐng)域取得系列研究進展
隨著輕質(zhì)、便攜、柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展，柔性二次電池引起了研究者的廣泛關(guān)注。在保持高性能的前提下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的柔韌性，將是一個富有挑戰(zhàn)性的瓶頸難題。其中，新型柔性高性能電極的設(shè)計與制備是最關(guān)鍵的核心問題之一。針對該問題，近日，我院吳興隆教授小組連續(xù)在《Advanced Materials》和《Advanced Energy Materials》等頂級學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了封面文章，報道了研究小組在柔性鈉/鉀離子電池及其柔性電極方面取得的重要研究成果。
以常見的柔性紙巾為生物質(zhì)類前驅(qū)體，通過控制碳化條件，設(shè)計制備了自支撐柔性硬碳電極，將其用作鈉離子電池負(fù)極時，表現(xiàn)出高的初始庫倫效率和優(yōu)異低溫性能，相關(guān)成果以以“Self-Supporting, Flexible, Additive-Free, and Scalable Hard Carbon Paper Self-Interwoven by 1D Microbelts: Superb Room/Low-Temperature Sodium Storage and Working Mechanism”為題發(fā)表于Advanced Materials（2019, 31 (40), 1903125，全文鏈接為：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201903125）上，并被遴選為雜志當(dāng)期內(nèi)封面進行了重點介紹。如圖1所示，在醚類電解液中，這種柔性自支撐硬碳電極負(fù)極實現(xiàn)了高達91.2 %的初始庫倫效率，表現(xiàn)出了高倍率性能、長循環(huán)壽命和非常優(yōu)異的低溫性能（-25℃下的儲鈉容量保持率達室溫時的89.0%）。此外，還揭示了該柔性電極在“吸附-插層”儲鈉過程中的動力學(xué)決速過程。
圖1 自支撐柔性硬碳電極儲鈉性能的相關(guān)研究成果
進一步地，以商品化棉布為原料，通過控制碳化條件和P摻雜技術(shù)，提升了棉布衍生柔性碳布電極儲能性能（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (14), 12518和ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10 (21), 17903）的基礎(chǔ)上，進一步以該類碳布為正極集流體和支撐電極，開發(fā)了高性能柔性鈉/鉀離子全電池，相關(guān)成果以“Flexible Na/K-Ion Full Batteries from the Renewable Cotton Cloth-Derived Stable, Low-Cost, and Binder-Free Anode and Cathode”為題發(fā)表于Advanced Energy Materials（2019, 9 (38), 1902056，全文鏈接為：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902056）上，并被遴選為雜志當(dāng)期背封面進行了重點介紹。如圖2所示，以棉布衍生所得碳布為鈉/鉀離子電池負(fù)極和正極的柔性基底，活性普魯士藍立方體原位生長于碳布上后為柔性正極，組裝的鈉/鉀離子全電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能、柔韌性以及實用性。該研究為柔性電極的設(shè)計提供了新的研究思路，有望進一步開發(fā)出更高性能的柔性鋰/鈉/鉀等二次電池并促進其實用化。
圖2 棉布衍生碳布基柔性鈉/鉀離子電池的相關(guān)研究成果
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