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变废为宝,工业废水+废布=柔性可穿戴集流体

变废为宝,工业废水+废布=柔性可穿戴集流体

柔性可穿戴设备是下一代便携式电子设备发展方向,其对于集流体的要求高于目前已经商业化的集流体。工业废水是水生污染的主要来源之一,其中含有各种有毒物质以及金属离子,对生态系统和人类健康造成严重问题。其次,过去几十年棉纺织品(CT)消费的稳步增长,产生了巨大的CT废物,其通常通过填埋和焚烧处理,同样造成严重的环境污染。近期吉林大学鄢俊敏教授课题组变废为宝,开发出一种简单且廉价的策略,利用模拟的化学镀废水和废弃实验服为原材料,合成出一种Ni包覆的棉纺织品(NCT)集流体,其具有高的机械强度、柔韧性,良好的电子电导率以及优异的电化学稳定性。无需粘结剂可直接把普鲁士蓝/石墨烯复合物包覆在NCT表面形成电极(PB@GO@NCT),用于钠离子电池表现出优异的柔韧性和倍率性能(30C)以及循环稳定性(1800次循环),该成果发表在著名材料期刊Adv. Mater. (IF:18.96)。 

变废为宝,工业废水+废布=柔性可穿戴集流体

图1.a) NCT合成示意图,b) 模拟废水颜色随着时间变化图像,c) ICP-AES测试废水中Ni浓度随时间变化


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图2.a-c ) NCT的SEM图像,d) NCT, CT和碳布的拉伸测试,e) NCT和其它报道的柔性集流体的电导率对比,f) NCT和其它柔性集流体密度对比,g) NMP在NCT上的接触角图像,h) NCT在0-5V区间的首次CV曲线,i) NCT在2-4V区间的电化学稳定性


机械强度测试,NCT集流体可承受≈48MPa的应力,断裂强度几乎是碳布的十倍,这使得其在弯曲或折叠时可保持机械完整性,在柔性设备表现出优异的可循环性。NCT也具有优异的导电性(4900S/m),远远高于大多数报道的柔性导电材料(如碳布、棉纸、石墨烯纸以及碳纳米管等。此外,NCT密度低至≈73.8mg/cm^3,远低于其他柔性金属集流体(铝箔,铜箔,不锈钢网和钛箔)。最重要的是,电化学稳定性是集流体面临的关键问题,通过CV测试显示NCT即使在5V也非常稳定,且即使600次循环后也没有明显的氧化还原反应 

随后,作者用PB@GO为活性物质,涂覆在NCT上,构成无需粘结剂的电极(PB@GO@NCT),并用金属钠作为对电极组装成扣式电池,研究其电化学性能。倍率性能,在1,4,10,20C电流密度下,比容量分别为101,82,78,72 mAh/g。即使在30C电流密度下,其比容量仍高达67 mAh/g,相对于初始容量61%。循环稳定性,在5C电流密度下经过1800次循环,容量保持率为84.4%,表现出优异的循环稳定性。这样一个优越的电化学性能是由于PB@GO@NCT结构的稳定性 

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图3.a-c) PB@GO@CNT的SEM图像,d) 扫速为0.1mV/s时的CV曲线,e) 0.5C电流密度下的充放电曲线,f) 倍率性能,g) 5C电流密度下的循环性能(1C=120mA/g)


为了验证PB@GO@CNT在柔性电子设备中的应用,作者组装了管状柔性钠离子电池。即使在故意弯曲和螺旋状态下,其也可以轻松点亮红色LED灯。此外,即使加工成项链和手镯形状,依旧可以轻松点亮LED灯。其循环稳定性,在100 mA/g电流密度下循环120次后,比容量约为63 mAh/g,相对于首次的容量保持率为76%。随后作者研究了机械压力对其电化学性能的影响,结果表明任何角度弯曲、甚至经过几百次弯曲,其容量基本没有变化,表明该管状钠离子电池具有高的机械稳定性、柔韧性

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图4.a) 管状柔性钠离子电池结构示意图,b) 管状柔性钠离子电池的图像,c-f) 管状柔性钠离子电池在不同状态下点亮红色LED灯,g) 管状柔性钠离子电池在50mA/g电流密度下的充放电曲线,h) 管状柔性钠离子电池在100mA/g电流密度下的循环性能


作者利用了一个简单的合成策略,变废为宝,不仅处理了工业污水,还制备了一个高性能的柔性集流体材料。该策略为工业废水和废棉纺织品的处理和再利用开辟新的途径,且符合资源可持续和环境友好型社会发展的政策方针。 


Yun-hai Zhu, Shuang Yuan, Di Bao, Yan-bin Yin, Hai-xia Zhong, Xin-bo Zhang, Jun-min Yan, Qing Jiang, Decorating Waste Cloth via Industrial Wastewater for Tube-Type Flexible and Wearable Sodium-Ion Batteries, Adv. Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201603719


材料制备过程

NCT制备:废旧实验服分别在丙酮、蒸馏水、乙醇中超声洗涤30min,在80℃干燥12h;随后2.5X2.5 cm^2棉布进入50mL包含0.75g SnCl2和3mL 38% HCl溶液,加入200mg Sn箔并搅拌5min,洗涤后浸入20mL包含0.01g PdCl2和0.2mL 38% HCl溶液中5分钟,对其进行活化。洗涤3次后,再次浸入100mL模拟镀镍废液中(1g NiSO4、0.9g NaH2PO2、0.4g NH4Cl、0.45g 柠檬酸钠),随后加入3mL氨水调节pH,最后10mL NaH2PO2溶液(0.1 mg/L)缓慢滴加并搅拌直至溶液无色。

PB@GO制备:改进Hummers方法制备GO,随后1.2g GO超声分散在80mL水中。136mg K3[Fe(CN)6]和34μL 38% HCl缓慢加入上述溶液并搅拌30min,在85℃水热反应24h,洗涤后冷冻干燥。

PB@GO@CNT制备:40mg PB@GO加入200mL NMP中并超声分散4h,随后把NCT浸入上述溶液1min,然后在80℃干燥30min,重复20次。


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