具有长循环寿命的柔性锂(钠)硒电池材料

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图1. (A)静电纺丝制备碳纤维示意图;(B) 制备碳纤维/Se复合物流程图

便携式电子设备和电动汽车的迅猛发展对电池的性能提出了越来越高的要求,发展具有高比能量和环境友好的新型二次电池具有重要意义。近来,锂-硫电池由于其高的重量比容量(1675mAh/g)和体积比容量(3467 mAh/cm3)而备受关注。硒(Se)和硫(S)具有相似的化学性质,但是其导电性和电化学活性都远高于硫。而且Se作为锂离子电池的正极材料也同样具有高体积比容量(3253 mA h/cm3)。然而,和锂-硫电池中的情况类似,锂-硒电池在充放电过程中多硒化物的产生和穿梭效应也会导致其循环性能变差和容量衰减。与此同时全球锂资源的匮乏和分布不均衡使得采用性质类似而价格更为低廉的钠离子取代锂离子作为储能介质被赋予了更高期望。因此,对Se作为一种钠离子电池正极材料的研究也受到了广泛的关注。但是由于Na+半径相比Li+大很多,Na+在电极中反复嵌入/脱出极易导致多次循环后电极结构的塌陷,从而引起容量的衰减,严重限制了Se作为动力电池的倍率性能和使用寿命。

最近,中国科学技术大学余彦教授与朱彦武教授课题组合作开发出一种新型自支撑的柔性多孔碳纤维/硒复合电极材料。研究人员将Se与KOH活化后的三维多孔碳纤维复合,做成高导电的柔性集流体,设计并制备出长循环寿命、可快速充放电的锂-硒和钠-硒电池。这种新型电极材料利用三维连通的碳纤维网络作为集流体,取代了传统电池中常用的金属集流体,可有效降低电极中非活性物质的比例。除此之外,三维多孔碳纤维良好的电子导电性和多孔结构不但避免了多硒化物的形成、抑制了穿梭效应而且为锂(钠)离子和电子提供了快速扩散通道,从而实现了电极材料的快速充放电。

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图2.(A)自支撑的柔性三维碳纤维/Se的复合物的实物照片以及SEM照片; (B)在0.5 A/g的电流密度下,锂-硒电池的循环寿命。

该研究为高性能柔性锂(钠)电池的设计和制备提供了新思路。这种可快速充放电的柔性电池制备工艺简单,具有潜在的实际应用价值。相关结果发表在Advanced Energy Materials上 (DOI:10.1002/aenm.201401377)

上述工作得到了中组部“青年千人计划”、自然基金委、新世纪优秀人才计划、中国科学技术大学创新团队培育基金、中央高校基本科研业务费专项资金资助以及苏州纳米科技协同创新中心和能源材料化学协同创新中心的大力支持。