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            基于多孔碳纖維內嵌NiS2的柔性纖維鈉電池

            基于多孔碳纖維內嵌NiS2的柔性纖維鈉電池

            隨著可穿戴電子設備的迅速發展,研究和制備具有優異電化學性能和良好機械柔性的儲能器件成為關鍵之一。近年來,柔性鋰離子電池得到了廣泛的研究和關注,其中纖維狀電池因其獨特的結構和性能優勢備受青睞。鈉離子電池與鋰離子電池相比具有一定的資源和成本優勢,而關于柔性鈉離子電池的研究較為鮮見。目前,纖維基柔性電極廣泛采用的復合策略是將活性材料負載在纖維集流體的表面,然而這種復合結構具有一定的局限性:(1)受限于碳纖維有限的表面面積,活性材料的載量一般較??;(2)活性材料和碳纖維有限的界面接觸限制了活性材料和集流體之間的電荷傳輸;(3)在這類核殼復合結構中,鋰/鈉離子嵌入脫出過程中所引起的體積效應會導致活性材料的粉化、團聚和脫落,導致較差的循環性能。因此,合理設計和制備具有高載量、高倍率性能、長循環壽命的碳纖維基復合電極材料對于柔性鈉離子電池至關重要。最近,南京理工大學納米能源材料(NEM)實驗室的陳琪(第一作者)、翟騰博士(通訊作者)、夏暉教授(通訊作者)與南京工業大學趙相玉副研究員(通訊作者)合作,通過簡單有效的合成方法制備了多孔碳纖維內嵌yolk-shell NiS2納米顆粒的復合電極材料。將其應用在鈉離子電池體系中表現出了優異的電化學性能。作者也通過機理分析發現,這一獨特的復合結構不僅能夠有效加快電荷傳輸和離子擴散,同時能夠有效抑制活性納米顆粒的團聚和粉化,提升了電極材料的倍率性能和循環壽命。該文章發表在國際頂級期刊Advanced Energy Materials上(影響因子:16.721)。

            通過簡單有效的合成策略,制備出了具有優異電化學性能和良好機械柔性的多孔碳纖維內嵌NiS2納米顆粒的復合電極。該電極材料在0.1C下的可逆容量為679 mAh/g,從0.1C到10C的倍率保持在42%以上,在5C下循環5000圈后容量保持率高達76%。另外,利用該柔性電極制備的纖維狀柔性鈉電池器件在反復彎曲多次后仍能保持較高的容量水平。

            1、利用簡單有效的合成策略先將納米鎳顆粒均勻內嵌復合在多孔碳纖維的體相中,然后進行硫化得到多孔碳纖維內嵌硫化鎳活性材料的復合電極。

            基于多孔碳纖維內嵌NiS2的柔性纖維鈉電池

            1. NiS2?PCF的合成示意圖。

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            2. a),(b),(c)分別為未處理的碳纖維、多孔碳纖維內嵌Ni納米顆粒和多孔碳纖維內嵌NiS2納米顆粒的SEM圖像;(dNiS2?PCFX射線納米CT圖像。

            ?2、NiS2?PCF0.1C下的首次充放電容量分別為679 mAh/g1106 mAh/g,庫侖效率約為61.4%;在0.1,0.2,0.5,1,2,5,10 C電流密度下的可逆容量分別為580,516,450,391,347,302,245 mAh/g,表現出良好的倍率性能。0.1 C電流密度下300次循環后,電極仍然保持534 mAh/g的可逆容量,循環保持率約85%,在5 C的大電流密度下循環5000圈后的容量保持率高達75.8%。

            而傳統的碳纖維表面復合結構的NiS2@PCF電極,其在0.1 C下循環10圈之后的可逆容量衰減到只有322mAh/g,200圈后的容量保持率僅為57%,且倍率性能較差。

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            3. NiS2?PCFSIBs電化學性能:(aCV曲線;(b)和(c)分別為NiS2?PCFNiS2@PCF0.1 C電流密度下前10圈的充放電曲線;(dNiS2?PCFNiS2@PCF的倍率性能對比;(eEIS對比;(fNiS2?PCFNiS2@PCF0.1 C下的循環性能對比。

            3、利用NiS2?PCF柔性電極制備纖維狀柔性鈉電池,該期間具有良好的機械柔性和出色的電化學性能,在多次不同角度下的彎曲后仍能保持較高的容量水平和循環穩定性。

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            4.a)由NiS2?PCF電極制備的纖維狀柔性鈉電池的結構示意圖和彎曲狀態下的工作展示圖;(b)和(c)分別為該鈉電池在不同彎曲狀態下充放電曲線和循環性能圖。

            ?隨后,作者通過EIS測試和循環后的掃描電鏡表征進一步研究其具有優異的循環穩定性的原因:1)具有豐富多孔結構的碳纖維所形成的導電骨架有效提升了電極的電荷傳輸速率;(2)纖維內部多孔的結構更有利于電解液離子的擴散,而且能夠有效緩解充放電過程中活性材料的體積效應;(3)內嵌式復合的異質結構具有優異的機械穩定性,和表面復合式的結構相比能夠更有效地防止活性材料在循環過程中的損失。

            Qi Chen, Shuo Sun, Teng Zhai,* Mei Yang,Xiangyu Zhao,* and Hui Xia*, Yolk-Shell NiS2 Nanoparticle-EmbeddedCarbon Fibers for Flexible Fiber-Shaped Sodium Battery, Advanced Energy Materials.2018, 1800054, DOI: 10.1002/aenm.201800054

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