北京理工大学/宁波工程学院，AFM：自支撑纤维-锚定-封装结构自支撑纤维-锚定-封装结构复合负极，助力高性能柔性锂离子电池- 大数跨境

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北京理工大学/宁波工程学院，AFM：自支撑纤维-锚定-封装结构自支撑纤维-锚定-封装结构复合负极，助力高性能柔性锂离子电池

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2025-11-17

导读：北京理工大学谭国强教授/宁波工程学院杨为佑教授AFM：自支撑纤维-锚定-封装结构自支撑纤维-锚定-封装结构复合负极，助力高性能柔性锂离子电池

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文章信息

自支撑纤维-锚定-封装结构MnCN₂@cPAN负极，助力高性能柔性锂离子电池

第一作者：郭鹏辉

通讯作者：谭国强*，杨为佑*

单位：北京理工大学、宁波工程学院、北京理工大学重庆创新中心

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研究背景

电动汽车和智能储能设备的快速发展要求锂离子电池（LIBs）具备比现有技术更高的能量/功率密度输出能力。开发新型电池材料和结构是实现上述目标的关键。从电极角度出发，构建高性能锂离子电池需要具有快速倍率性能的高面积容量电极。通常，活性电极材料的比容量和质量负载是设计高面积容量电极的两个关键因素。以石墨负极为例，由于其相对较低的理论比容量（372 mAh g⁻¹），设计高面积容量电极需要增加电极中石墨的质量负载。然而，质量负载增加伴随电极厚度增加，导致高电阻和其他电荷传输限制，以及体积膨胀甚至结构损坏。简言之，为获得高面积容量电极，必须创新传统电极工程，包括开发具有高比容量的新型电极材料，以及构建具有高质量负载的新型电极结构。

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研究内容

北京理工大学吴锋院士-谭国强教授团队联合宁波工程学院杨为佑教授于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》刊载了题为 “Self-Supporting Fiber-Anchor-Encapsulated MnCN₂@Cyclized-PAN Anode for High-Performance Flexible Li-Ion Batteries” 的学术论文。论文对过渡金属碳二亚胺(TMCs)的电极工程进行了稳健的设计，将材料表面改性和本体结构构建相结合。该研究设计了一种独特的锚定-封装复合结构，并开发了一种自支撑MnCN₂@cyclized-polyacrylonitrile (MnCN₂@cPAN)电极。利用PAN及其热化学环化机制对TMC进行表面锚定和本体封装，采用静电纺丝工艺实现了自支撑电极的大面积制造。原位XRD揭示了具有优异电化学可逆性的高度（003）取向的MnCN₂晶体结构。XPS验证了MnCN₂和cPAN之间稳健的Mn-N键合相互作用。此外，密度泛函理论计算阐明了化学锚定对电解质腐蚀的稳定机制。该研究采用具有高质量负载的自支撑阳极组装了NCM811//MnCN₂@cPAN软包电池并展现出具有应用前景的电化学性能。

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图文导读

图1 （a）MnCN₂@cPAN的制备工艺和微观结构的示意图。制备的MnCN₂@PAN的（b，c）SEM图像、（d−f）TEM图像和Mn元素EDS图谱。制备的MnCN₂@cPAN的（g，h）SEM图像、（i−k）TEM图像和Mn元素EDS图谱。

图2 （a）MnCN₂、MnCN₂@PAN和MnCN₂@cPAN材料的XRD图谱、（b）拉曼光谱和（c）FT-IR图谱。（d−f）MnCN₂、MnCN₂@PAN和MnCN₂@cPAN材料的（d）C 1s、（e）N 1s和（f）Mn 2p XPS光谱。

图3 （a）MnCN₂和（b）MnCN₂@cPAN电极在不同扫描速率下的CV曲线。（c）计算出的电容与扩散贡献，以及（d）计算出的在不同扫描速率下MnCN₂和MnCN₂@cPAN电极的锂离子扩散系数。（e）MnCN₂和MnCN₂@cPAN电极的GITT曲线。（f）循环前MnCN₂和MnCN₂@cPAN电极的电化学阻抗奈奎斯特图。（g）MnCN₂@cPAN电极在初次放电/充电/再放电过程中的原位电化学XRD图。

图4 MnCN₂和MnCN₂@cPAN电极的（a）倍率性能和（b）长循环性能。（c）MnCN₂和（d）MnCN₂@cPAN电极在0.1 mV s⁻¹下的CV曲线。（e）MnCN₂和（f）MnCN₂@cPAN电极在1C电流密度下特定循环次数的dQ/dV曲线。（g）MnCN₂和（h）MnCN₂@cPAN电极在特定循环后的电化学阻抗奈奎斯特图。（i）MnCN₂和（j）MnCN₂@cPAN电极在1C下循环800次后的SEM图像和相应的EDS图（红色、蓝色和绿色分别表示Mn、C和N）。

图5 MnCN₂@cPAN表面的（a）平行和（b）垂直结合模式以及相应的结合能，其中cPAN的N原子与MnCN₂的Mn原子结合。（c−e）MnCN₂（003）表面上（c）DMC、（d）EC和（e）EMC的计算HOMO-LUMO能级。（f−h）计算的（f）DMC、（g）EC和（h）EMC在MnCN₂@cPAN表面（003）取向平面上的HOMO-LUMO能级。

图6 （a）设计的NCM811//MnCN₂@cPAN软包电池结构示意图。（b）NCM811//MnCN₂@cPAN软包电池的循环性能。（c）弯曲的软包电池点亮LED装置的数码照片。（d，e）100次循环后从软包电池中拆卸的（d）阳极和（e）阴极的数码照片。（f）MnCN₂和MnCN₂@cPAN电极之间的结构差异示意图。

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研究结论

本研究提出一种将化学锚定与物理封装相结合的策略，用于稳定MnCN₂的表面化学和体相结构，并通过静电纺丝与环化热处理成功开发了大面积自支撑纤维MnCN₂@cPAN阳极。原位合成的高取向的MnCN₂晶体和高导电的cPAN纤维，形成了高密度、高导电和高稳定的纤维复合结构。系统研究表明，由于cPAN和MnCN₂之间的协同物理和化学相互作用，复合电极的电、化学和体积性能得到了显著改善。这种MnCN₂@cPAN阳极设计使锂离子电池具有很好的电化学性能，其中，MnCN₂@cPAN//Li纽扣电池在0.1C下具有825 mAh g⁻¹的高初始比容量，在10C下具有335 mAh g^–1的高倍率比容量，在1C下循环800次后具有80%的高容量保持率。

LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂//MnCN₂@cPAN软包电池在100次循环后具有86%的优异容量保持率，证实了其在锂离子电池方面的巨大潜力。TMC和PAN之间锚定环化的这种范式机制以及集成设计显著提高了TMC基阳极的电化学性能，也保证了它们在高质量负载下的结构多样性和灵活性。利用静电纺丝进行高效原位合成，大大提高了该材料工程的可行性和应用推广，使TMC在储能、绿色催化等领域的实际应用成为可能。

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文章链接

Self-Supporting Fiber-Anchor-Encapsulated MnCN₂@Cyclized-PAN Anode for High-Performance Flexible Li-Ion Batteries

https://doi.org/10.1002/adfm.202524597

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第一作者简介

郭鹏辉，北京理工大学在读博士研究生。研究方向为金属基碳二亚胺材料的开发与性能研究。目前已在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、ACS Nano、Nano Letter、Batteries & Supercaps等期刊发表SCI论文6篇，获得国家奖学金荣誉。