蘇州納米所張其沖等在高性能纖維狀水系鋅離子電池方面取得系列進(jìn)展
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可穿戴電子設(shè)備呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展?？纱┐麟娮釉O(shè)備具有柔性、便攜性和可穿戴性，從而在電子皮膚、人體運(yùn)動(dòng)檢測、人類健康與醫(yī)療系統(tǒng)、可穿戴通訊設(shè)備等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的可穿戴性和安全性，需要開發(fā)相匹配的高柔性、輕質(zhì)量及小體積的水系儲能器件。相比于有機(jī)電解液，水系電解液從根本上避免了有機(jī)電解液易燃易爆的問題，同時(shí)離子傳導(dǎo)率比有機(jī)電解液高兩個(gè)數(shù)量級，極大改善了儲能器件的倍率和快充性能。鋅金屬負(fù)極不僅儲量豐富，具有高的比容量（820 mAh g-1）和體積比容量（5851 mAh cm-3），在水系電解液中具有較低氧化還原電勢低（-0.76 V，相對標(biāo)準(zhǔn)氫電極），優(yōu)異的穩(wěn)定性和可以承受較大的電流交換密度。水系鋅離子電池憑借其成本低、運(yùn)行安全性高、環(huán)境友好等多重優(yōu)勢在大規(guī)模儲能系統(tǒng)的應(yīng)用上顯示出巨大的應(yīng)用潛力。纖維狀的水系鋅離子電池為可穿戴能源器件的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。因此針對市場的潛在需求，開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的高能量密度和高功率密度纖維狀水系鋅離子電池，對實(shí)現(xiàn)當(dāng)今纖維狀能源產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
高性能正極材料的開發(fā)成為水系鋅離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。釩氧化物具有四種氧化態(tài)，不同的組合形式和多種配位多面體，為鋅離子的插入/脫出提供了多種途徑。高價(jià)態(tài)釩氧化合物因其高的容量成為水系鋅離子電池正極材料中最有應(yīng)用前景的電極材料之一。原位電化學(xué)氧化策略是一種通過引入含氧官能團(tuán)制備高價(jià)態(tài)釩氧化合物的簡單有效的方法。在高電位恒電壓條件下會(huì)造成電極材料的氧化，降低電極的導(dǎo)電性能，如何通過原位電化學(xué)氧化策略制備兼顧高容量和高導(dǎo)電性的釩氧化合物是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院蘇州納米所張其沖、李清文聯(lián)合東南大學(xué)王春雷和南洋理工大學(xué)魏磊等團(tuán)隊(duì)通過原位電化學(xué)氧化Ca摻雜VO2納米陣列成功制備了陣列化非晶態(tài)Ca摻雜V2O5 (a-Ca-V2O5)，并用于纖維狀水系鋅離子電池正極。Ca元素?fù)诫s和陣列化結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑有效的激發(fā)了非晶V2O5的儲鋅潛力，可以充分利用豐富的活性位點(diǎn)從而獲得高體積容量。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，Ca的引入可以顯著降低VO2的形成能，并在充放電過程中實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)到晶態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)一步提高了a-Ca-V2O5的可逆容量。作為可穿戴器件的應(yīng)用展示，組裝的纖維鋅離子電池實(shí)現(xiàn)了高的能量密度和優(yōu)異的機(jī)械柔性。這項(xiàng)工作為構(gòu)建兼具高倍率高容量容量的無定型金屬氧化物電極提供了一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)策略，有望應(yīng)用于低成本和高安全性的可穿戴儲能技術(shù)。
圖1. a-Ca-V2O5的制備表征及性能測試
該成果以Emerging Amorphous to Crystalline Conversion Chemistry in Ca-Doped VO2 Cathodes for High-Capacity and Long-term Wearable Aqueous Zinc-Ion Batteries為題發(fā)表在國際知名期刊Advanced Materials上。論文第一作者是東南大學(xué)和中國科學(xué)院蘇州納米所聯(lián)合培養(yǎng)博士生郭嘉斌和南洋理工大學(xué)博士后賀冰，通訊作者為東南大學(xué)王春雷研究員、南洋理工大學(xué)魏磊副教授和中國科學(xué)院蘇州納米所張其沖項(xiàng)目研究員、李清文研究員。該工作得到中國科學(xué)院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃和江蘇省青年基金等項(xiàng)目的支持。
隨著納米技術(shù)和多功能集成技術(shù)的發(fā)展，服裝已經(jīng)從簡單的保暖面料發(fā)展到可穿戴的智能紡織品，實(shí)現(xiàn)信息可視化需要集成多色發(fā)射顯示組件和可靠的儲能設(shè)備。然而，由于顯示和儲能器件的物理隔離，存在大量獨(dú)立連接的接口，導(dǎo)致了器件體積大、集成復(fù)雜和穿戴的不舒適性。因此，賦予纖維狀水系鋅離子電池顯示功能是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。碳點(diǎn)具有優(yōu)異的光致發(fā)光特性和可調(diào)諧的發(fā)射波長，為顯示器提供了多色的發(fā)射能力。然而，由于不均勻電場的尖端效應(yīng)和不可避免的腐蝕，導(dǎo)致鋅負(fù)極的枝晶生長，導(dǎo)致其循環(huán)可逆性較差。因此，開發(fā)具有鋅負(fù)極保護(hù)和多色發(fā)射雙重功能的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)對于實(shí)現(xiàn)熒光纖維水系鋅離子電池具有重要意義。
圖2. 多功能熒光纖維水系鋅離子電池及織物示意圖
鑒于此，中國科學(xué)院蘇州納米所張其沖聯(lián)合東南大學(xué)王春雷、南洋理工大學(xué)魏磊等團(tuán)隊(duì)通過采用親鋅基團(tuán)和顯著熒光特性的碳點(diǎn)作為電解液添加劑，實(shí)現(xiàn)了鋅負(fù)極保護(hù)和熒光的雙重功能。在金屬鋅表面形成具有豐富親鋅基團(tuán)的碳點(diǎn)的超薄Zn2+吸附層，可以優(yōu)化電場分布，降低成核能勢壘，提高腐蝕電流，可實(shí)現(xiàn)2500 h內(nèi)穩(wěn)定可逆鍍/剝離鋅。此外，采用鋅線作為內(nèi)負(fù)極，自支撐普魯士藍(lán)作為外正極，并在兩者之間引入熒光碳點(diǎn)改性凝膠電解質(zhì)，成功組裝了高壓平臺的熒光纖維水系鋅離子電池。受益于電解質(zhì)添加劑工程對鋅陽極和自支撐普魯士藍(lán)陰極的多重活性位點(diǎn)的協(xié)同作用，熒光纖維水系鋅離子電池具有長期穩(wěn)定性 (循環(huán)1500次后容量保持78.9%) 和高能量密度 (0.17 Wh cm-3)。不同發(fā)光特性的熒光纖維水系鋅離子電池被編織成多色紡織品，作為可穿戴的電池顯示系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)輕量化和多功能的柔性織物。
圖3.熒光纖維水系鋅離子電池的構(gòu)筑及性能測試
該成果以Fluorescent Fiber-Shaped Aqueous Zinc-Ion Batteries for Bifunctional Multicolor-Emission/Energy-Storage Textiles為 題發(fā)表在國際知名期刊ACS Nano上。論文第一作者是東南大學(xué)和中國科學(xué)院蘇州納米所聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉樊，通訊作者為東南大學(xué)王春雷研究員、南洋理工大學(xué)魏磊副教授和中國科學(xué)院蘇州納米所張其沖項(xiàng)目研究員。該工作得到中國科學(xué)院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃和江蘇省青年基金等項(xiàng)目的支持。
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