Advanced Functional Materials:金红石空心矩阵碳纤维布复合电极用于柔性钠离子电池

钠资源丰富且成本低廉,以钠离子作为能量载体的储能被认为是可大规模发展的技术。但由于钠离子尺寸较大,柔性可穿戴器件对钠离子电池的电极材料要求独特。设计研发高容量、快速充放电能力和优异循环性能的柔性电极材料是发展柔性钠离子电池的关键。碳纤维布因其高机械强度、高导电性和低成本等特点,是一种理想的柔性电极导电基底,被广泛的应用于柔性锂、钠离子电池领域。二氧化钛(TiO2)具有高的理论容量,适中的钠离子嵌入电位,优异的结构稳定性以及赝电容特性,是钠离子电池负极材料的理想候选者之一。为了满足柔性钠离子电池在形变情况下仍保持良好电化学性能的要求,构建具有更高机械强度的柔性TiO2电极是目前研究的难点。

青岛大学王宪芬副教授和昆士兰大学赵修松教授合作,使用水热-刻蚀的简单方法,将金红石型二氧化钛空心矩阵生长于碳纤维布上,构建一体化电极材料,应用于柔性钠离子电池,在高倍率下表现出优异的电化学性能。以此电极组装的柔性全电池在形变下仍具有优异的电化学稳定性。

制备的一体化H-TiO2@CFC电极不必使用粘结剂,直接可以用作钠离子电池负极。在半电池测试中,在50C的高倍率下仍具有103.9 mAh g-1的比容量,在10C的倍率下,循环600圈,容量保持率高达95.8%。此优异的电化学性能归因于H-TiO2@CFC电极独特的结构。碳纤维布不仅提升电极的导电性,同时其三维交联架构促进钠离子的传输。TiO2空心矩阵可以增加钠离子与TiO2的接触,缩短钠离子传输途径。通过充放电过程中的原位XRD测试,可以证实TiO2充放电过程中晶格参数变化非常小,在原位XRD中并未引起明显的峰位移。通过充放电过程中的非原位XPS测试,可以发现TiO2充放电过程中Ti4+与Ti3+的转换,对揭示脱嵌钠机理具有重要意义。以H-TiO2@CFC复合电极为负极,磷酸钒钠(Na3V2(PO4)3)作为正极组装柔性全电池,具有优异的电化学性能和较高的能量密度(158.6 Wh kg-1),与文献报道的其它钠离子全电池相比,具有较大优势。以此柔性复合电极组装柔性全电池具有优异的电化学性能和弯曲耐受性,为发展柔性储能器件的实际应用提供了可行型思路。

相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202002629)上。论文第一作者为青岛大学博士研究生王超,赵修松教授和王宪芬副教授为本文的通讯作者。