河北工業大學EnSM：雙活性/動力學互促的Li3VO4/石墨烯實現可噴涂高比能鋰離子微型電容器

youyoucao 2年前 (2021-09-23) 2259瀏覽

一、研究背景

隨著5G、物聯網、人工智能、醫療保健設備的飛速發展，可穿戴微型電子設備的市場需求不斷增長，這也要求其內置電源需要向微型化發展。微型電容器（MSCs）和微型鋰離子電池（MBs）應運而生。然而，由于鋰離子在負極材料中的插入/脫出反應動力學滯后，導致MBs功率密度較低（<?5 mW cm?2），壽命較短（<?1000個循環）；MSCs因為其雙電層存儲機制表現出固有的高功率密度和長循環壽命特征，然而其低能量密度的問題無法滿足不斷增長的高比能需求。因此，引入不同的電極能量存儲機制以及擴展MSCs的工作電壓引起了大量研究興趣。

金屬離子混合電容器（MICs，如Li+、Na+、K+、Zn2+等）已在學術界引起了極大的關注。其電池型負極和電容型正極賦予了MICs比贗電容/水系非對稱電容器更高的能量密度，同時可保持優異的功率密度和長循環壽命，從而顯示出作為高比能/高功率儲能設備的絕佳前景。而MICs性能受限的主要原因是正負極之間電化學反應動力學不匹配，需開發電壓平臺安全、比容量大、倍率性能好、穩定性好的負極材料；另外微型MICs器件的制備和組裝技術相對復雜，需要更為簡便的技術路線來滿足實際需求。

二、內容簡介

近日，河北工業大學材料學院殷福星教授團隊王恭凱副研究員為鋰離子微電容器（LIMCs）設計了一種雙活性、動力學互促的Li3VO4?(LVO)/石墨烯負極材料。其中釩源前驅體通過原子層沉積（ALD）技術預先沉積在石墨烯納米片上，再借助固相反應將釩源前驅體轉化成均勻分散的LVO納米顆粒。LVO/石墨烯復合材料作為雙活性組分負極，LVO納米顆粒和石墨烯納米片都可以有效地存儲鋰離子并可以相互作用，協同提高鋰離子存儲性能。高導電石墨烯納米片可以極大地改善LVO的反應動力學，同時在LIMCs的叉指電極中，原本易堆疊且易于聚集的石墨烯片之間存在著分散的LVO納米顆粒，使復合材料間具備足夠的空隙，增加界面接觸并縮短鋰離子擴散路徑。LVO/石墨烯負極表現出非凡的倍率性能和高電流密度穩定性，在40 A g?1的高電流密度下可實現98.5 mAh g?1的比容量。LIMCs所用的集流體和非對稱叉指電極均可噴涂制備，這為大規模生產LIMCs開發了一種簡便而精密的技術路線。單個LIMCs的工作電壓窗口可達4 V，體積能量密度高達51.4 mWh cm?3，功率密度高達511 mW cm?3，且具有優異的柔性和循環穩定性，在用于未來小型化、柔性和高性能的儲能設備方面顯示出巨大的潛力。相關成果以“Dual Active and Kinetically Inter-Promoting Li3VO4/Graphene Anode Enabling Printable High Energy Density Lithium Ion Micro Capacitors”發表在了在國際頂尖期刊《Energy Storage Material》上，博士研究生張淼鑫為本文第一作者。該研究工作得到了天津市自然科學基金（19JCYBJC17900）和河北工業大學建華科研基金（No. HB1921）的資助。

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721004554?

三、圖文導讀

Ⅰ. LVO/石墨烯納米復合材料及LIMCs的制備過程

圖1. LIMCs的制備示意圖：(a)?ALD結合固態燒結制備的LVO/石墨烯納米復合材料作為負極；(b)?叉指電極的噴涂和基于離子凝膠電解質的LIMCs的組裝；(c)?AC與MXene混合作為正極

Ⅱ.?LVO/石墨烯納米復合材料的結構表征

圖2. ALD-VO-1和ALD-LVO-1樣品的形貌結構表征：(a)?XRD圖；(b) 拉曼光譜；(c) ALD-LVO-1的V2p的XPS譜；(d) N2吸附/解析等溫線；(e) ALD-VO-1的TEM圖像，插圖：選區電子衍射結果；(f) C、O、V 的EDS圖像；(g, h) ALD-LVO-1的TEM圖像，插圖：選區電子衍射結果；(i) C、O、V 的的EDS圖像

Ⅲ.?LVO/石墨烯納米復合材料的儲鋰性能評價

圖3. 紐扣式半電池的電化學性能和動力學分析：(a) 質量比倍率性能；(b) 在質量倍率性能方面與其他已發表的工作比較；(c) 體積比倍率性能；(d) 0.2 mV s?1掃描速率下CV曲線的電容貢獻；(e) 在不同掃描速率下的電容貢獻率；(f) 循環性能和庫侖效率；(g) 原位XRD圖；?(h) 非原位拉曼光譜和(i)相應的?ID/IG比

Ⅳ.?扣式鋰離子電容器的性能優化

圖4. 基于AC正極和ALD-LVO-1負極的LICs的電化學性能優化：(a) LICs的示意圖；(b) 0.2 mA g?1?電流密度下正極、負極和LICs的GCD曲線比較；(c) LICs的GCD曲線； (e) Ragone圖；(f) 電流密度為 1 A g?1時的循環性能和庫侖效率

Ⅴ. 鋰離子微電容器的性能評價

圖5. LIMCs 的電化學性能：（a）LIMCs 的照片；(b) 噴印叉指電極的SEM圖像；(c, d) 負極和正極俯視圖的SEM圖像；(e) 不同掃描速率下的CV曲線；(f) 2個串聯或并聯的LIMCs在5 mV s?1掃描速率下的CV曲線；(g) 2個LIMCs串聯的GCD曲線；(h)?電流密度為0.02 mA cm?2?時的循環性能和庫侖效率；(i) 在不同彎曲角度下測量的LIMCs的CV曲線，插圖：彎曲LIMCs的照片；(j) Ragone圖；(k) 由2個LIMCs串聯為柔性數字手表供電的照片。

Miaoxin Zhang, Ruijun Bai, Shane King, Fuxing Yin, Huifen Peng*, Gongkai Wang*, Dual Active and Kinetically Inter-Promoting Li3VO4/Graphene Anode Enabling Printable High Energy Density Lithium Ion Micro Capacitors,

Energy Storage Materials, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721004554.

本文由作者投稿。

分享到