【能源】多维结构协同构筑柔性复合薄膜钠离子电池

智能柔性、可穿戴电子设备将会深刻影响人们的生活。作为电子设备的动力来源，柔性二次电池的研发极为必要。目前，人们在柔性锂离子电池领域取得了很大进展，三星、LG、松下等知名企业均推出了柔性锂电池的商业化原型机。然而，考虑到锂资源储量有限和消耗日渐增加，成本问题或将成为限制常规及柔性锂离子电池发展的瓶颈。

非锂基电池，尤其是以储量丰富、成本低的钠元素构筑的钠离子电池被认为极有潜力替代锂离子电池，而柔性钠离子电池也成为当前研究的热点。作为核心部件，高性能柔性电极决定着钠离子电池的性能如容量、倍率及循环稳定性等。然而，其构筑面临着两个主要挑战：其一，电化学性能亟待提高：Na⁺的半径(1.02 Å)远大于Li⁺ (0.76 Å)，且在电化学反应中扩散速率较慢。电极材料的结构设计和优化是保证大量、快速、稳定存储钠离子的关键。其次，机械性能有待改善：当前基于碳纳米材料、金属箔、MXene等基底构筑的柔性电极多表现出一定的弯曲性：但为满足可穿戴电子器件，柔性电极需满足多方面的应力应变要求，如可弯曲、卷曲、扭曲及折叠等。

针对上述问题，济南大学的原长洲教授课题组与新加坡南洋理工大学的楼雄文教授课题组合作，以一维铁基配位聚合物纳米线和二维石墨烯为前驱体，通过原位硫化过程构筑了具有多维结构的Fe_1-xS纳米颗粒填充多孔碳纳米线/石墨烯（Fe_1-xS@PCNWs/rGO）复合柔性薄膜电极。零维Fe_1-xS纳米颗粒被配位聚合物热解产生的一维多孔纳米线包覆，抑制了活性组分的体积膨胀和多硫化物的流失；二维石墨烯片层不仅为电子、离子传输提供了路径，而且协同一维纳米线赋予自支撑电极优异的机械性能。

图1. Fe_1-xS@PCNWs/rGO薄膜合成示意图及柔性展示

得益于多维结构的协同作用，该电极表现出优异的储钠质量及体积比容量。在0.1 A•g^-1的电流密度下经100次循环后，不同面载量（0.9-11.2 mg•cm^-2）薄膜电极的性能为573-89 mAh•g^-1，远优于纯相Fe_1-xS及Fe_1-xS@C。同时，薄膜电极展现出较高的体积比容量，在0.2-5 A•g^-1的电流密度下比容量为424-180 mAh•cm^-3，优于文献中报道的很多碳基或金属硫化物/碳基复合材料的性能。作者以其为负极，以NVP/rGO为正极，通过对正负极活性物质单位面积负载量的调控和电压区间的优化，成功组装了具有较高容量及机械性能的柔性钠离子软包电池。

图2. 薄膜电极电化学性能的测试及以其为负极构筑的柔性钠离子软包电池

这一研究成果于近期以Back Cover的形式发表于能源类知名期刊Advanced Energy Materials，文章第一作者是济南大学的青年讲师刘洋。

该论文作者为：Yang Liu, Yongjin Fang, Zhiwei Zhao, Changzhou Yuan, Xiong Wen (David) Lou

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A Ternary Fe_1−xS@Porous Carbon Nanowires/Reduced Graphene Oxide Hybrid Film Electrode with Superior Volumetric and Gravimetric Capacities for Flexible Sodium Ion Batteries

Adv. Energy Mater., 2019, DOI: org/10.1002/aenm.201803052

研究团队简介

济南大学储能材料与器件研究室成立于2017年，紧紧围绕电化学储能领域前瞻性课题和关键技术问题，致力于高性能储能器件（锂/钠/钾离子电池、超级电容器、锂硫电池、金属空气电池和铅碳电池等）及关键材料结构设计与功能调控，深入探究其在能量存储与转化等方面应用的基础研究。相关研究成果受到WILEY-VCH学术媒体Materials Views China、X-MOL行业资讯媒体（材料学）、美国Twitter和Lab Talk等媒体网站前沿报道，部分研究成果已经在相关企业完成中试、检测及示范应用，产生一定的社会和经济效益。实验室学术带头人为山东省“泰山学者特聘专家”原长洲教授；迄今以第一/通信作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Environ. Sci.、Mater. Today和Mater. Horizons等国际学术期刊上发表SCI论文100余篇（SCI索引7100余次），单篇最高索引1000余次，14篇入选ESI Highly Cited Paper，4篇入选ESI Hot Paper。2016‒2018期间，原长洲教授连续3年入选Clarivate Analytics Highly Cited Researcher (in Materials Science)和Elsevier Most Cited Chinese Researchers (in Materials Science)。获教育部自然科学二等奖和省青年科技奖各一项。

楼雄文

https://www.x-mol.com/university/faculty/35053

原长洲

https://www.x-mol.com/university/faculty/28193

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