韩炜教授、王丽丽研究员，CEJ观点： T3C2Tx助推SnSbS复合碳纤维实现快速稳定的自支撑准固态钠全电池

第一作者：李栋栋

通讯作者：韩炜*，王丽丽*

单位：吉林大学，中国科学院半导体研究所

随着柔性电子设备（如电子皮肤、可穿戴传感器）的不断发展，迫切需要开发柔性可充电电池。为了满足大规模商业应用的要求，用于可穿戴设备的柔性电池应具有较高的灵活性、能量密度和安全性，以及较长的使用寿命和较低的成本。在本研究中，我们利用相对简单、低成本的静电纺丝技术，设计出了具有高柔韧性、高比容量的自支撑电极（SnSbS/T-M@CNF阳极、NVP@CNF阴极）和更可靠的电解质（CGPFE）。

其中，MXene被用作电池阳极的导电骨架和调节准固态电解质的添加剂。使用自支撑SnSbS/T-M@CNF阳极、NVP@CNF阴极和CGPFE电解质组装的全电池具有适当的工作电压，以及优异的循环稳定性和倍率性能。本研究设计和合成的具有高能量密度、长使用寿命和更可靠的电解质的柔性安全阳极和阴极材料，对提高钠离子电池能量密度，开发柔性和高安全性钠离子电池至关重要。

基于此，来自吉林大学的韩炜教授与中国科学院半导体研究所的王丽丽研究员合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“T₃C₂T_x boost SnSbS composited carbon fibers achieved fast and stable free-standing quasi-solid sodium full-battery”的实验型文章。该文章利用静电纺丝技术，将MXene作为导电骨架和电解质的添加剂，设计出了具有高柔韧性、高比容量的自支撑电极和可靠的电解质。其组装的准固态全电池具有适当的工作电压，以及优异的循环稳定性和倍率性能。

图1. SnSbS/T-M@CNF阳极的制造和特征。(a) 自支撑的SnSbS/T-M@CNF阳极、NVP@CNF阴极和CGPFE电解质的制造示意图。(b, c) SnSbS/T-M@CNF和对比样品的XRD图案和拉曼光谱。SnSbS/T-M@CNF的 (d) SEM， (e) STEM，(f-g) HRTEM和 (h) EDS图。

静电纺丝是一种相对简单、低成本的纳米纤维制备方法，已被广泛用于储能和传感材料的合成。利用静电纺丝技术，还可以将电化学活性的金属颗粒加载到碳纳米纤维中，以改善电极性能。通过静电纺丝和碳化合成的柔性碳纳米纤维网可以直接作为二次电池的电极。特别是均匀的纳米纤维薄膜，它是柔性电池部件的有希望的候选者。因此，可以避免使用导电剂、粘合剂和液体。这一特点提高了电池的整体能量密度并降低了其成本。

作为电池电极，一维（1D）纳米材料还具有高效离子扩散和直接电荷转移的优势。此外，碳纤维涂层可以缓解金属颗粒在充电过程中的体积膨胀。除了电极，静电纺丝也被应用于固体聚合物电解质的合成。通过静电纺丝合成的聚合物纤维膜具有相互关联的孔隙网络，可以吸收电解质和传导离子。因此，在液体电解质中凝胶化后，可以缓解聚合物电解质中离子导电率低和界面阻力大的缺点。

要点二：MXene被用作电池阳极的导电骨架和调节准固态电解质的添加剂。

MXene是一种具有良好的导电性的新型二维材料，其表面有丰富的官能团，具有独特的物理和化学特性。MXene纳米片的加入改善了复合材料的离子传输，并抑制了硫的溶解，从而提高了电极的循环稳定性。此外，由MXene改性的PVDF-HFP纤维薄膜制成的聚合物凝胶纤维电解质表现出与液体电解质相当的电化学性能。

图2. SnSbS/T-M@CNF、SnS₂@CNF、Sb₂S₃@CNF和T-M@CNF的电化学性能。(a) SnSbS/T-M@CNF最初三个循环的CV曲线。(b) SnSbS/T-M@CNF在0.1 A g^-1时的充电-放电曲线。(c) SnSbS/T-M@CNF、SnSbS@CNF、SnS₂@CNFs、Sb₂S₃@CNF和T-M@CNF在0.1 A g^-1的循环性能。(d) 在电流密度为0.1至25 A g^-1时的倍率性能。(e) 在1.0 A g^-1的高电流密度下的长期循环稳定性。

要点三：组装的全电池表现出极低的阻抗和出色的循环稳定性。

使用准固体聚合物纤维电解质，根据NVP@CNF和SnSbS/T-M@CNF电极的容量比进行匹配，组装出自支撑的全电池。SnSbS/T-M@CNF||CGPFE||NVP@CNF全电池具有良好的可逆性和相对高的放电电压。由于薄的聚合物纤维电解质和自支撑的电极设计，SnSbS/T-M@CNFs||CGPFE||NVP@CNFs全电池表现出极低的交流阻抗。这使得全电池能够为一个开放电压为3V的LED胸灯供电。

图3. 自支撑准固态钠全电池的电化学性能。(a) SnSbS/T-M@CNF||CGPFE||NVP@CNF全电池的示意图。(b). CV曲线，（c）0.1 A g^-1时的充电-放电曲线，（d）从0.1到2 A g^-1的倍率性能，（e）0.5 A g^-1的高电流密度下的循环稳定性。(f)全电池的EIS曲线，以及（f）中的插图，用全电池点亮LED胸灯。

“T₃C₂T_x boost SnSbS composited carbon fibers achieved fast and stable free-standing quasi-solid sodium full-battery”

韩炜教授简介： 1993 年获得吉林大学材料科学系学士学位，1997 年获得俄罗斯托木斯克理工大学机械工程系博士学位。他目前的研究重点是储能材料和器件。已在 Nature Communication、Advanced Materials、 Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy、 Nano-Micro letter、Energy Storage Materials、 Information Materials、ACS Nano、Small 等国际核心知名期刊上以第一作者和通信作者身份发表SCI 收录论文200 余篇，研究成果已申请30 余项国家专利。

近五年在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Chem. Soc. Rev等期刊发表学术论文60余篇。总他引6000余次，H-index 50。2017年入选中国科协“青年人才托举”工程；2018年入选十五届“未来女科学家”计划；2021年入选“中科院高层次人才”计划。担任InfoMat、Nano Research、Journal of Semiconductors和Journal of Physics D: Applied Physics等期刊的青年编委和客座编委。

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