中科院&北科&香港理工Adv. Mater.：用于柔性鋰離子電池的V2O5織物正極具有高容量和穩定性

【引言】

目前，鋰離子電池功率和能量密度高，循環壽命長，對環境友好。然而，它體積大，柔性差，因此它不是柔性、可穿戴的電子器件的電源的理想選擇。高度柔性、電化學性能優異的鋰電池的開發迫在眉睫，設計和制備柔性電極便是一個主要的挑戰。在用來制備柔性電極的基材中，三維結構的織物由于成本低、比表面積大、穿著舒適、柔性極佳、質量輕而最受青睞。新型的正極材料V₂O₅理論比容量高，儲量豐富。制備柔性V₂O₅織物正極所需的嚴苛的條件和昂貴的材料阻礙了它們的大規模應用。最重要的問題是，高循環穩定性、良好的倍率性能和高負載不能同時實現。空心的微米/納米結構的開發可能會同時解決這些問題，尤其是含有由零維納米顆粒組成的多孔的殼的三維空心多殼結構。這種結構能提供較大的比表面積和較多的儲鋰活性位點，因此能提高電極的比容量。此外，這種結構能更好地接觸鋰離子，提高倍率性能。更重要的是，這種結構能有效地緩沖體積膨脹，減輕有重復的嵌/脫鋰引起的應力和應變，導致長期循環穩定性有較大的提高。目前關于這種結構的柔性織物正極的工作很少。

【成果簡介】

近日，中國科學院過程工程研究所的王丹教授、北京科技大學的于然波教授和香港理工大學的鄭子劍教授（共同通訊作者）報道了高性能的柔性鋰離子電池的基于三維織物的正極。這種織物正極利用涂覆鎳的棉（Ni-cotton）織物作為導電集流體和載體，利用單殼或者多殼的V₂O₅空心結構（nS-V₂O₅,n是殼的數量）作為活性材料。3S-V₂O₅/Ni-cotton織物電極的負載量高達2.5 mg cm^?2，它在500個充放電循環后容量為222.4 mA h g^?1。更重要的是，電極被彎曲180°后電壓幾乎不變，幾百次彎曲和折疊的循環后容量沒有明顯降低。上述成果發表于國際期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.復合織物電極的制備

a.V₂O₅空心結構/Ni-cotton織物電極的制備過程的示意圖。

b.棉（i）、Ni-cotton（ii）、V₂O₅空心結構/Ni-cotton織物（iii）的照片和3S-V₂O₅空心結構的TEM圖。（iii）的插圖是彎曲的電極。

c.織物電極的截面SEM圖， 凹面部分(ci)和凸面部分(cii)。

d.棉、Ni-cotton、V₂O₅空心結構/Ni-cotton電極的XRD圖。

e.1000個彎曲的循環后不同負載量的V₂O₅空心結構/Ni-cotton織物電極的電阻。

圖2.V₂O₅負載量為2.0 mg cm^?2的扣式電池的電化學性能

a.3S-V₂O₅空心結構/Ni-cotton的第1、25、50、100和200次充放電曲線。

b.電流密度為500 mA g^?1的V₂O₅空心球狀結構/Ni-cotton、2S-V₂O₅和3S-V₂O₅空心結構/Ni-cotton和V₂O₅納米片/Ni-cotton織物電極的循環穩定性。

c.V₂O₅空心球狀結構/Ni-cotton、2S-V₂O₅和3S-V₂O₅空心結構/Ni-cotton和V₂O₅納米片/Ni-cotton織物電極的倍率性能。

d.V₂O₅空心球狀結構/Ni-cotton、2S-V₂O₅和3S-V₂O₅空心結構/Ni-cotton和V₂O₅納米片/Ni-cotton織物電極的Nyquist曲線。

圖3.電流密度為200 mA g^?1時3S-V₂O₅空心結構的負載量不同的3S-V₂O₅空心結構/Ni-cotton電極的電化學性能

a.負載量不同時充放電曲線

b.負載量為3.0和3.5 mg cm^?2的電極的循環穩定性

c.負載量為2.5 mg cm^?2的電極的循環穩定性

圖4.柔性織物電池的電化學性能和機械性能

a.柔性電池的結構的示意圖

b. 3S-V₂O₅空心結構/Ni-cotton的循環穩定性

c.25次充放電循環和0、100、200和500次彎曲循環后柔性電池的充放電曲線

d.柔性電池被彎曲0°、90°和180°后均能點亮LED

【小結】

研究團隊成功地制備了V₂O₅空心結構/Ni-cotton柔性電極，組裝了織物基鋰離子電池。3S-V₂O₅空心結構/Ni-cotton柔性電極在負載量為2.5 mg cm^?2的情況下，500次嵌/脫鋰循環后容量為222.4 mA h g^?1。這種電極的性能沒有明顯衰減，即使在大的彎曲變形和幾百次彎曲和折疊的循環后。更重要的是，Ni-cotton集流體、V₂O₅空心結構材料和V₂O₅空心結構/Ni-cotton復合電極的制備很簡單，可以大規模應用。V₂O₅空心結構/Ni-cotton復合電極在不久的將來在商業化的高度柔性鋰離子電池中具有前景。

文獻鏈接：V₂O₅ Textile Cathodes with High Capacity and Stability for Flexible Lithium-Ion Batteries（Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.201906205）

本文由kv1004編譯供稿。

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