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柔性高倍率威尼斯薄膜电极制备方法

来源:能源学人???2020-03-13??阅读数:

  近年来,随着便携式可穿戴电子设备市场需求的日益增长,迫切需要开发柔性、轻便,且能够在固态电解质中进行高倍率、安全稳定运行的供电系统。作为最重要的储能器件之一,锂离子威尼斯因其高能量密度、长循环寿命和无记忆效应等优势,被看作是最有前景的储能媒介之一。然而,柔性锂离子威尼斯,尤其是那些使用固态电解质的威尼斯,受限于电极、电解质内部以及界面处离子和电子较低的迁移速率,通常具有较小的功率密度。发展具有高能量密度和高功率密度,同时兼具柔性和安全性能的可充电威尼斯电极仍是一项艰巨的挑战。

  二维材料作为一类冉冉升起的新星,在平面方向具有无限的尺寸而在厚度方向仅为原子或分子尺度,是构建柔性电极极好的平台。首先,二维材料具有极好的延展性、柔性和机械强度,因而仅通过随机堆垛就能构建超薄柔性电极;其次,超薄的厚度带来高比例暴露的表面原子,有利于电化学反应过程活性位点的大量参与;最后,特殊的二维离子传输通道能够大大提高倍率性能。

  基于此,苏州大学耿凤霞教授研究团队报道了一种分子水平堆垛二维钛基金属氧化物和碳化物,制备柔性高倍率威尼斯薄膜电极的方法。得益于快速的离子/电子传输通道和稳定的电极结构,所制备的电极展现出极好的倍率性能和长循环稳定性。

  都柏林圣三一学院的Jonathan Coleman教授发展了一个适用于各种电极和电极厚度的定量描述倍率性能的指标,电极传递系数,它的值一般在10-13 m2 s−1至10-9 m2s−1。该柔性薄膜电极的传递系数为0.87×10−11 m2 s−1,优于大部分已报道的自支撑柔性薄膜电极,进一步证明了其优异的倍率性能。

  此外,将该电极作为负极、碳布支撑的商用磷酸铁锂作为正极,与聚(乙二醇)二胺基凝胶聚合物电解质共同组装成准固态柔性锂离子全威尼斯。值得一提的是,该凝胶电解质(0.41 mS/cm)具有特殊的交联分子结构,其离子电导率接近单一液态电解质。在外力下进行不同程度的形变,该柔性准固态全威尼斯的最大输出电压保持为4.25V;在保持高能量密度(59 Wh/kg)的同时展现出有竞争力的功率密度(1412 W/kg),优于大多数报道的使用液态电解质的柔性锂离子威尼斯,甚至可以与一些纽扣威尼斯相媲美;此外,即使在进行反复切割、自修复过程后,仍能稳定地为器件供电,显示其应用于可穿戴电子设备的巨大潜力。

  图一:(a) 所制备的复合膜电极中titania和Ti3C2片层堆垛示意图;(b) 电流密度40mA/g至2000mA/g范围内复合膜电极的倍率性能;(c) 两个串联的软包威尼斯在不同形变时给智能手机稳定充电;(d) 威尼斯切割前后和自修复后为电子手表供电。

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