可塑柔性钠离子全电池

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由于可拉伸储能器件可以促进未来可穿戴技术的发展,进而受到重点关注。然而目前它存在很多问题,其中包括活性物质利用率低、多方向拉伸受限和拉伸条件下稳定性差。此外,大多数设计都包含一种或多种刚性元件,其不能满足整个装置的拉伸需求。迄今为止,大部分可伸缩储能器件的研究集中在锂离子电池上,鲜少有关于钠离子电池的报道,尤其是集成所有可伸缩元件(电极、隔膜以及电池组装)的高能量储存装置。现在,德克萨斯大学奥斯汀分校于贵华课题组的工作者制备出石墨烯修饰的PDMS海绵体电极,将其应用在钠离子全电池和半电池上,表现出良好电化学性能和机械可塑性。此成果发表在Adv. Mater.(IF=18.96 )上。

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图1 合成导电PDMS/rGO海绵体的简明流程图

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图2 PDMS/rGO海绵体/VOPO4和PDMS/rGO海绵体/硬碳组成钠离子半电池的电化学性能。电位窗在2.5-4.3V时 (a) 不同电流密度下的充放电曲线,(b) 循环性能,(c) 在0.4A/g电流密度下,循环300次的库伦效率。 电位窗在0.01-2.5V时 (d) 不同电流密度下的充放电曲线,(e)循环性能,(f) 在0.4A/g电流密度下,循环300次的库伦效率。


分别用正极材料PDMS/rGO海绵体/VOPO4和负极材料PDMS/rGO海绵体/硬碳作为研究电极组装成钠离子半电池,研究PDMS/rGO海绵体的电化学性能和机械性能。其中用PDMS/rGO海绵体/VOPO4电极时在50mA/g的电流密度下,比容量保持在126mAh/g;在1A/g的电流密度下稳定的比容量为83mAh/g;在0.4A/g的电流密度下,循环300此后容量保持率为85%,每次循环容量仅下降0.05%。在高倍率下保持如此好的电化学性能,有以下三个原因(1)在2D VOPO4纳米片层结构中发生快速的动力学反应;(2)高孔隙率半晶质的P(VDF-HFP)膜具有高的离子导电性;(3)均匀覆盖rGO分层的PDMS基体在结构间形成3D导电网。

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图3 PDMS/rGO海绵体/VOPO4和PDMS/rGO海绵体/硬碳组成钠离子全电池的电化学性。(a) 不同拉伸条件下充放电曲线,(b) 不同倍率下充放电曲线,(c) 不同拉伸次数后的充放电曲线,(d) 没有拉伸的全电池的循环稳定性,(e) 全电池拉伸20%的照片,(f) 全电池拉伸50%的照片


随后,以PDMS/rGO海绵体/VOPO4作为正极、PDMS/rGO海绵体/硬碳作为负极组装成钠离子全电池,在0.1C的电流密度下,没有拉伸时可逆比容量为103mAh/g;在拉伸程度为20%和50%时,电池的可逆比容量分别为96mAh/g 和92 mAh/g;且拉伸程度为50%时,电池循环100次后容量保持率为89%。在拉伸条件下电极材料表现出如此优越的电化学性能,作者解释为活性物质不仅物理吸附在基体上,还封装在高孔隙率的海绵体内。

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图4 (a)PDMS/rGO海绵体/VOPO4和PDMS/rGO海绵体/硬碳组成钠离子全电池的示意图,(b)没有拉伸的全电池和拉伸50%的全电池使商业化的LED灯亮的图片。

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图5 不同弯曲程度下的可拉伸钠离子电池使商业化的LED灯亮的图片。


不同于钠离子半电池,钠离子全电池的稳定性相对较差,由于存在不可逆性所以库伦效率达不到100%。PDMS/rGO海绵体的电极为可拉伸钠离子全电池良好的电化学性能做出主要贡献,因为它不仅提供了良好的机械稳固性,而且为钠离子的快速转移和储存提供良好的保障


实验过程

合成PDMS海绵体:PDMS前驱体和固化剂按10:1的质量比,用木铲在塑料盘中搅拌混合几分钟,随后抽真空在室温下保持1h。方糖模板放在混合物的上方,抽真空放置4h。方糖完全被PDMS浸没,擦去多余的PDMS,在对流炉中120℃保持2h。方糖模板在40℃超声水浴4h,并用去离子水洗涤,每30min换一次去离子水,得到PDMS海绵体

合成PDMS/rGO海绵体:GO溶液在温下搅拌,随后在冰浴中超声10min,PDMS海绵压入GO溶液中几次,在罩内干燥1d,随后在HI蒸汽中处理1d,移除海绵体中多余的HI,产物在真空条件下160℃处理24h,得到PDMS/rGO海绵体

合成钠离子导电凝胶聚合物:P(VDF-HFP)😀FM:H2O=15:85:3的比例混合成溶液(去离子水的温度为80℃),将溶液涂敷在干净的玻璃板上,然后浸入到80℃的水中,得到白色的膜,然后再100℃干燥10h,切成适用于可拉伸钠离子电池的形状,在手套箱中浸泡在有机溶液(1MNaClO4和体积比为2%的氟化碳酸脂分散在碳酸丙烯中)里12h,得到钠离子导电凝胶聚合物。

VOPO4纳米片:V2O5 (4.8 g)、H3PO4 (85%, 26.6 mL),和H2O (115.4 mL)混合后在110℃保持16h,产物收集后用水和丙酮洗涤几次,然后再80℃干燥。得到的产物在2-丙醇中形成2mg/mL的溶液,在水中超声分散30min,溶液颜色褪去,得到VOPO4纳米片。


参考文献

Hongsen Li, Yu Ding, Heonjoo Ha, Ye Shi, Lele Peng, Xiaogang Zhang,Christopher J. Ellison, Guihua Yu, An All-Stretchable-Component Sodium-Ion Full Battery, Adv. Mater. 2017, 1700898, DOI: 10.1002/adma.201700898

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