江南大学乔辉教授， Chemical Engineering Journal观点：抗脱落界面超柔性电极助力高效可逆储钠

第一作者：龙治雯

通讯作者：乔辉*

单位：江南大学纺织科学与工程学院

智能可穿戴器件的迅速崛起对其供能系统提出更高要求：轻便和柔性；高安全性；环境友好性；能够承受机械变形而不损伤其电化学性能。以钠离子作为能量载体的储能技术具有储备丰度大、高安全、宽温区、长寿命的优点，目前柔性钠离子电池（FSIBs）已经在智能可穿戴器件上崭露头角。构建FSIBs要求其关键组成部分（包括电极、隔膜、电池外壳等）均具有柔性的特质，其中，如何构筑柔性电极是发展FSIBs的关键环节。然而，无机电极材料的刚性与柔性集流体不匹配，在复杂机械变形下易发生分离，且受限的衬底限制了钠离子的嵌入/脱出，导致电接触破坏和性能下降。本篇观点基于碳化/界面组装策略构筑的柔性电极展现抗脱落特性，经过10,000次弯曲后仍能保持纤维不断裂、活性物质不脱离、电导率不下降。以此所组软包电池在平铺/卷曲/折叠等多维机械形变场景中保持稳定供能，解决柔性储能器件机械变形过程中材料的分离、开裂等问题。

基于此，来自江南大学的乔辉教授在期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Anti-Detachment Interface Enabled Ultra-Flexible Quinone-Rich Polydopamine/Carbonized Silk Textile for Reversible Sodium Storage”的观点文章。该观点文章通过简便绿色的策略构建具有稳定界面的富醌聚多巴胺/碳化丝织物（PDA/CST）超柔性电极，防止在机械变形中活性材料的脱落。

图1. 超柔性富醌聚多巴胺/碳化丝织物（PDA/CST）制备流程示意图

考虑到导电性、柔韧性和轻质性能的综合特性，以丝织物作为前驱体，经过碳化促使蚕丝中β-折叠结构转为共轭sp2杂化六方碳结构，CST显示出优异的机械完整性和柔韧性，其五枚三飞的缎纹织物组织结构形成连续的三维导电网络，保持电极中完整的电子传输通道。通过仿生自然界中贻贝的粘附性，在CST表面沉积聚多巴胺粘性纳米粒子，调控氧化剂体系实现致密均匀涂层。然而，低聚PDA颗粒含有大量的无活性羟基组，大大降低了实际容量和利用率，因此，通过进一步的热处理过程，将聚多巴胺的儿茶酚基团转化为邻苯醌基团，得益于邻苯醌基团的快速氧化还原反应和结构内高效的电荷转移，氧化还原反应的位点数量增加。所构建的柔性富醌有机电极，避免了额外的粘合剂和导电添加剂的使用。

要点二：纺织基柔性电极

纺织基柔性电极具有独特的三维网络结构，赋予织物不同孔隙更有助于消散应变。弯折过程中产生的张力从活性材料转移到基体表面，相较于铜箔、铝箔等刚性结构，织物电极具有更低的弹性模量，能显著降低电极表面张力。通过应力-应变曲线对的弹性模量进行计算，PDA/CST显示出3.685 MPa的杨氏模量，动态电阻测试电极弯曲过程中的电阻变化小于0.1 Ω，随着弯曲循环次数的递增，纤维之间的空隙变大但保留着良好的结构完整性，以曲率半径为0.5 cm弯曲10,000次，纺织基柔性电极在反复施加的弯曲机械外力过程中并不会造成活性材料的脱落或者开裂。

要点三：储钠机理

通过计算PDA、NaPDA和Na₂PDA的分子静电势（MESP）来预测Na⁺的结合位置和配位过程。在PDA结构中，羰基间区域具有最大的负MESP值，表明对正电荷的吸引力最大。在钠化/去钠化过程中，结构中的羰基可以接受一个电子并产生两个带负电的氧原子，Na⁺与两个羰基氧原子配位生成NaPDA。然后，两个邻位羰基氧原子中的每一个都接受第二个Na⁺，形成一个四面体构型并产生完全介导的Na₂PDA。

要点四：前瞻

当前柔性电极的制备技术，主要包括：（1）物理作用将电极材料固定于柔性基材表面，例如层层自组装、静电吸附等。此类策略的最大挑战是活性材料与柔性基材间的相互作用通常较弱，活性材料在机械变形过程中易脱落。（2）使用表面接枝等化学技术通过共价键作用锚定活性材料。然而，表面接枝通常接枝密度不高，并且在接枝前需引入活性位点，这对于化学惰性材料不适用。如何使用便捷绿色的策略构建具有稳定界面的柔性电极并向一维纤维电极拓展，设计能够适应复杂机械变形，防止变形中活性材料的脱落，是未来柔性电极研究的潜在方向。

Anti-detachment interface enabled ultra-flexible quinone-rich polydopamine/carbonized silk textile for reversible sodium storage

乔辉教授简介：江南大学教授、博士研究生导师。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省产学研联合创新基金、中国博士后科学基金特别资助及面上项目等国家（或省部）级项目。近年来在Advanced Fiber Materials、Small、Chemical Engineering Journal等期刊共发表SCI论文80余篇；授权发明专利5项；荣获教育部自然科学奖二等奖、中国纺织工业联合会科技进步奖三等奖、中国商业联合会科技进步奖二等奖和三等奖等5项。