氧化硅为媒介合成二维硫化镍/碳纳米管柔性复合薄膜及其在多种储能领域的应用

随着可穿戴和柔性电子设备的快速发展,相应的储能设备(如电池和电容器)在满足高电化学性能同时也需要具备高柔性,因此,寻找满足上述性能要求的电极材料成为新的研究热点。各种碳纳米材料,特别是碳纳米管具有导电性高、柔韧性好和密度小等特性,是柔性电极材料的理想基体。为了进一步提高其电化学性能,通常在碳纳米管上复合各种活性物质制备复合电极,其中,金属硫化物,尤其是硫化镍,具有层间距大、晶体构结丰富、电化学可逆性高的独特优势,极具研究价值和应用前景。

实现硫化镍和碳纳米管的紧密结合是制备高性能柔性电极的关键,但是这个目标非常具有挑战性。首先,碳纳米管表面呈高疏水性和化学惰性,难以为硫化镍生长提供足够的成核位点。为了解决这个问题,通常需要严苛的化学处理以“活化”碳纳米管,这将不可避免的破坏碳纳米管的石墨结构并降低其电子导电性和机械性能。其次,碳纳米管通常呈粉末状态,组装成所需的宏观结构十分繁琐,且成本较高。此外,商用碳纳米管通常为多壁结构,内壁石墨层难以利用,造成电极材料死重量增加。

针对这些问题,天津大学材料学院侯峰课题组和澳大利亚伍伦贡大学梁骥课题组首次合作报道了一种以碳管表面原位形成的氧化硅作为媒介,通过水热法将其转化为硫化镍纳米片,制备柔性硫化镍纳米片/碳纳米管复合薄膜的方法。该材料中,硫化镍纳米片均匀、紧密的附着在高度石墨化的少壁碳纳米管上,片状硫化镍赋予材料高电化学活性面积;互连的碳纳米管网络形成高效电子通路,同时缓冲充放电过程中的体积变化并保持复合材料的结构完整性。更为重要的是,通过改变硫化参数,可连续调节硫化镍的实际化学计量比,改变材料的电化学行为,使其适用于不同的储能应用。用做超级电容器时,该材料具有非常高的比电容(2699.7 F g-1 @ 10 A g-1)、优异的倍率性能(1519.7 F g-1 @ 250 A g-1)和良好的循环稳定性,将其组装成全固态非对称电容器时,仍然保持良好的柔性,并可作为31 cm2背光板的发光电源;此外,它还在Li+和Na+存储中展现了较高的可逆容量、优异的倍率和循环性能。

本研究将会为高性能柔性储能材料的开发提供新的思路,并为无损碳纳米管负载提供新的策略。相关论文以封底文章的形式在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201805064)上。