氧空位助力柔性鈉離子電池

余彥

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，合肥 230026

鈉離子電池柔性F-TiO2-x電極材料的制備1。

下一代小型化便攜式電子設(shè)備，如可穿戴設(shè)備、可植入醫(yī)療和可折疊器件等的快速發(fā)展需要儲能器件兼具高能量密度和優(yōu)異機(jī)械柔性的特點(diǎn)。盡管目前有一些不同柔性器件的報(bào)道，如柔性太陽能電池、柔性Li-S電池、柔性超級電容器和柔性鋰離子電池。但是，目前研究者們大多數(shù)還是專注于柔性鋰離子電池。值得注意的是，有限的鋰資源以及較高的成本使得人們對柔性鋰離子電池的應(yīng)用前景仍然擔(dān)憂1,2。與之不同的是，鈉鹽資源豐富、環(huán)境友好、價(jià)格低廉，因此將廉價(jià)的鈉離子電池與柔性材料結(jié)合起來制備鈉離子電池柔性電極材料將具有重要的研究價(jià)值3,4。但是，目前柔性鈉離子電池的制備大多數(shù)還是依賴于成本較高的石墨烯或碳納米管作為柔性基底，而采用靜電紡絲制備柔性電極則多是采用將納米級活性材料嵌入碳納米管的方法，因此所制備的電極材料負(fù)載量小而且電極材料的選擇極其有限。

近日，北京理工大學(xué)吳川教授和白瑩教授課題組從缺陷和空位調(diào)控的角度出發(fā)(Energy Storage Materials, doi: 10.1016/j.ensm.2019.09.001)，使用一種高效的非原位靜電紡絲的方法，克服了紡絲液制備過程中粉末與高聚物對溶劑的高度選擇性難題5。不僅制備出了機(jī)械性能優(yōu)異的柔性電極，而且將氧空位成功引入半導(dǎo)體的銳鈦礦TiO2，所制備的F-TiO2-x柔性電極作為鈉離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出超過TiO2理論容量的超高容量(0.1C倍率的電流密度下具有353 mAh·g-1的可逆容量)，和循環(huán)性能(在1C倍率下循環(huán)1000次，仍然有331 mAh·g-1的容量保持)。值得關(guān)注的是，其所組裝的鈉離子全電池F-TiO2-x-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2表現(xiàn)出2.6 V的平均工作電壓，在500 mA·g-1的電流密度下循環(huán)200周幾乎沒有容量衰減。

不僅于此，該課題組還使用靜電紡絲法合成3D電子包裹的大尺寸顆粒的Na3V2(PO4)3柔性鈉離子正極材料6。這一工作不僅首次實(shí)現(xiàn)聚丙烯腈(PAN)在非N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混溶型Na3V2(PO4)3的靜電紡絲，而且克服了傳統(tǒng)靜電紡絲方法制備1D電極材料負(fù)載量低、振實(shí)密度低的缺點(diǎn)。并與負(fù)極材料NaTi2(PO4)3成功組裝鈉離子軟包全電池，其在彎折狀態(tài)仍然能夠正常點(diǎn)亮LED燈且不出現(xiàn)短路現(xiàn)象。該方法高效、普適性強(qiáng)，對于其他不同種類的柔性電極材料的制備方法具有很好的借鑒作用。

二維材料一直是能源存儲與轉(zhuǎn)化方向研究的一類熱門材料7。其中，二硫化鉬(MoS2)因?yàn)槠涓叩谋热萘亢捅堵市阅芤彩菑V受關(guān)注。該課題組使用非原位靜電紡絲法合成碳納米纖維彈性束縛納米花狀MoS2自支撐柔性薄膜材料，極大的提高了MoS2自身電子電導(dǎo)率低，其作為鈉離子電池柔性負(fù)極材料具有高達(dá)596 mAh g-1的理論容量，在1 A·g-1大電流密度下循環(huán)1100周仍然具有90%容量保持8。與直接水熱法制備的MoS2電極相比，其提高的電化學(xué)性能應(yīng)該歸功于MoS2顯著增加的層間距，N摻雜CNFs提高的電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)率。

通過將氧空位高效地引入鈉離子電池的電極材料，能夠從原子水平上進(jìn)行精細(xì)調(diào)控；再結(jié)合非原位靜電紡絲的自支撐柔性電極制備技術(shù)，為構(gòu)建更高能量密度的柔性電池提供了新的策略。