Small:转化法合成自支撑K2Zn3(Fe(CN)6)2·9H2O正极应用于高电压柔性水系钠离子电池

可穿戴智能电子设备的兴起推动了柔性储能器件的发展,并对其安全性和性能提出了更高的要求。其中,钠离子电池(SIBs)具有资源丰富、成本低、物理化学性质与锂离子电池相近等优点,在大规模能源储能器件应用中受到广泛关注。相对于传统SIBs使用的有机电解质来说,水溶液电解质因为其高的安全性和离子导电性为发展高安全性和高倍率性的SIBs带来了巨大的机遇。然而,由于高电压正极材料的缺乏和传统浆料涂覆电极制备方法的限制,构建高性能的柔性水系可充放电SIBs(ARSIBs)仍然是一个非常大的挑战。

近日,中科院苏州纳米所姚亚刚课题组通过水浴法利用金属锌纳米片阵列作为锌源和还原剂在碳布表面转化合成了立方体结构的K2Zn3(Fe(CN)6)2·9H2O阵列(KZHCF),并作为自支撑的ARSIBs正极(CC@KZHCF)。在1M NaClO4水溶液电解质中,该电极实现了0.8 V的电压平台。由于无需粘结剂和导电剂的使用,CC@KZHCF展现出了出色的电子和离子导电性,在0.5 mA cm-2的电流密度下实现了高的面积容量0.76 mAh cm-2。同时,CC@KZHCF表现出优异的倍率性能,当电流密度增大40倍时,仍能保持原始容量的57.9%。此外,我们通过非原位XRD对KZHCF在电解质中的储钠机理进行了探究,发现首次小扫速CV后,Na+占据了KZHCF中K+的位置而转化为Na2Zn3(Fe(CN)6)2·9H2O(NZHCF)。同时,在之后的充放电循环中始终保持Na+在NZHCF中的嵌入/脱嵌,并没有新相生成。

通过结合生长在碳布上的碳包覆的磷酸钛钠作为自支撑负极(CC@NTP),我们首次成功组装了具有高电压(1.6 V)的准固态柔性水系可充放电钠离子电池。该电池获得高的面积能量密度(0.92 mWh cm-2)和功率密度(14.3 mW cm-2)。由于电池两极均不需要粘结剂和导电剂,因此我们组装的器件获得了优异的机械柔性,在不同的弯曲角度下容量几乎没有变化。本工作有望为柔性自支撑ARSIBs电极的合理设计开辟一条新的途径。相关研究成果以“Conversion Synthesis of Self-Standing Potassium Zinc Hexacyanoferrate Arrays as Cathodes for High-Voltage Flexible Aqueous Rechargeable Sodium-Ion Batteries,”为题在线发表于Small(DOI: 10.1002/smll.201905115)。