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我院在柔性钠/钾离子电池领域取得系列研究进展

发布时间:2019-11-27   访问人数:

近日,我校1211宝马在线吴兴隆教授小组连续在《Advanced Materials》和《Advanced Energy Materials》等顶级学术期刊发表了封面文章,报道了研究小组在柔性钠/钾离子电池及其柔性电极方面取得的重要研究成果。

  随着轻质、便携、柔性和可穿戴电子产品的发展,柔性二次电池引起了研究者的广泛关注。在保持高性能的前提下实现结构的柔韧性,将是一个富有挑战性的瓶颈难题。其中,新型柔性高性能电极的设计与制备是最关键的核心问题之一。针对该问题,在国家自然科学基金、学校材料科学与工程双一流建设经费和科技处中央高校基本科研业务费的资助下,吴兴隆教授小组以常见的柔性纸巾为生物质类前驱体,通过控制碳化条件,设计制备了自支撑柔性硬碳电极,将其用作钠离子电池负极时,表现出高的初始库伦效率和优异低温性能,相关成果以以“Self-Supporting, Flexible, Additive-Free, and Scalable Hard Carbon Paper Self-Interwoven by 1D Microbelts: Superb Room/Low-Temperature Sodium Storage and Working Mechanism”为题发表于Advanced Materials2019,31(40), 1903125)上,并被遴选为杂志当期内封面进行了重点介绍。

  如图1所示,在醚类电解液中,这种柔性自支撑硬碳电极负极实现了高达91.2 %的初始库伦效率,表现出了高倍率性能、长循环寿命和非常优异的低温性能(-25℃下的储钠容量保持率达室温时的89.0%)。此外,还揭示了该柔性电极在“吸附-插层”储钠过程中的动力学决速过程。

图1 自支撑柔性硬碳电极储钠性能的相关研究成果

  进一步地,以商品化棉布为原料,通过控制碳化条件和P掺杂技术,提升了棉布衍生柔性碳布电极储能性能(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017,9(14), 12518和ACS Appl. Mater. Interfaces 2018,10(21), 17903)的基础上,进一步以该类碳布为正极集流体和支撑电极,开发了高性能柔性钠/钾离子全电池,相关成果以“Flexible Na/K-Ion Full Batteries from the Renewable Cotton Cloth-Derived Stable, Low-Cost, and Binder-Free Anode and Cathode”为题发表于Advanced Energy Materials2019,9(38), 1902056)上,并被遴选为杂志当期封底进行了重点介绍。

  如图2所示,以棉布衍生所得碳布为钠/钾离子电池负极和正极的柔性基底,活性普鲁士蓝立方体原位生长于碳布上后为柔性正极,组装的钠/钾离子全电池表现出优异的电化学性能、柔韧性以及实用性。该研究为柔性电极的设计提供了新的研究思路,有望进一步开发出更高性能的柔性锂/钠/钾等二次电池并促进其实用化。

图2 棉布衍生碳布基柔性钠/钾离子电池的相关研究成果

  附: