氧空位助力柔性鈉離子電池

余彥

中國(guó)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(chǔ)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(jí)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(duì)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?jī)r(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(jí)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(duì)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(duì)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(chǔ)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。