Adv. Mater.鋰電池創新成果：受大自然啟發長春應化所開發柔性電極材料

【引言】為克服傳統鋰離子電池電極材料導電率低等問題，Adv. Mater.近期發表了一篇創新成果：研究者創新性的采用簡單地可擴展方式制造出自站式，重量輕，分層大孔的活性碳纖維（MACF）作為電極材料，提供良好的穩定性并減小體積變化，實現了高質量電荷傳輸和優異的大電流放電能力。以下是材料牛新銳編輯Xu的跟蹤報道。

【成果簡介】
隨著消費電子產品、電動車輛的快速發展，我們迫切需要具有高能量密度的電化學儲能系統。傳統鋰離子電池能量密度較高，但其電極材料如過渡金屬氧化物（TMOs)等導電率較低，此外，電極制作所必需的穩定、絕緣、可膨脹的高聚物粘結劑會不可避免的阻礙其能量密度的提高。而近來多方面報道顯示，可充電鋰氧電池（Li-O2）可以提供更高的能量密度。多孔碳納米纖維由于其多孔纖維結構、良好的導電性、質量輕、等優點可作為鋰離子電池的電極材料，但要應用于鋰氧電池還需進行優化，克服小孔徑和體積不能提供足夠的空間來容納大量的不溶性的和絕緣Li2O2放電產物等問題。因此，未來需致力于設計和制造擁有優化渠道和連通孔隙結構的自站式且不含粘合劑的大孔納米纖維電極材料，從而實現高質量電荷傳輸，提供良好的穩定性并減小體積變化。

最近，中國科學院長春應用化學研究所的張新波（通訊作者）與吉林大學材料科學與工程學院汽車材料教育部重點實驗室聯合發表一項研究進展：受金蟾蜍產卵過程，以及蛋的優化形狀和結構的啟發，研究者提出，通過簡單地可擴展方式制造一個自站式，重量輕，分層大孔的活性炭纖維（MACF）：靜電紡絲技術模仿產卵過程和纖維蛋結構，將二氧化硅球體（SS）分散并將聚丙烯腈聚合物基質殼（PAN）溶解于二甲基甲酰胺；接下來，在玻璃注射器中填充有過靜電紡絲形成的MACF前驅紡織品溶液，進行預氧化和炭化過程，使用氫氟酸脫模板后獲得MACF紡織品。

實驗結果表明，模板和靜電紡絲合成方法可進行組合達到同時增加孔隙體積、孔隙互連和宏觀表面開口的效果。此外，該大孔碳球到大孔纖維的集成是通過微調溶液粘度和碳前體-模板比例實現的。出乎意料的是，作為證明概念的一個應用，實驗所得到的氧化釕納米顆粒（RuO2 NP）裝飾的無結合劑MACF電極表現出良好的電化學特性：包括高全周期的能源效率，良好的周期穩定性以及特別優異的大電流放電能力。

圖1：制造過程和大孔中空活性碳纖維正極動力的的示意圖

使用靜電紡絲技術模仿產卵過程和纖維蛋結構→SS分散并將PAN溶解于二甲基甲酰胺→在玻璃注射器中填充有過靜電紡絲形成的MACF前驅紡織品溶液→預氧化和炭化過程→氫氟酸脫模板后獲得MACF紡織品

圖2：MACF形態和多孔結構演變的掃描電鏡圖像

(a) PAN包覆SS纖維的掃描電鏡圖像(插圖、照片)
(b)、(c) MACF掃描電鏡圖像
(d) 氮吸附—解吸等溫線和MACF孔隙大小分配圖
(e) MACF對各種有機液體的吸附能力統計
(f) MACF吸收乙醇的再循環能力（插圖：飽和吸附乙醇后的MACF燃燒照片）
(g-i) 吸附溶液的擴散，g-初始態，h-5 min后，i-10 min后

圖3：MACF和R-MACF的掃描電鏡、XRD圖和拉曼光譜圖圖譜分析


(a)、(b) RuO2裝飾的分層大孔活性炭纖維R-MACF掃描電鏡圖像
(c) RuO2納米顆粒在R-MACF中的粒徑分布
(d) R-MACF的高分辨透射電鏡圖
(e) MACF和R-MACF的XRD圖
(f) MACF和R-MACF的拉曼光譜圖

圖4：五個不同的正極材料的LiO2電池的大電流放電能力

(a) 1000mA g?1電流密度，(b) 2000mA g?1電流密度下五個不同的正極材料的LiO2電池的大電流放電能力；
(c) 剩余四個LiO2電池第30次的充放電曲線；
(d) R-MACF在300mA g?1電流密度下的循環性能以及1000mA g?1電流密度下的比容量極限；
(e) 五種不同正極材料的LiO2電池的終端放電電壓。

圖5：正極截止電壓為2.2 V下的橫截面掃描電鏡的圖像：R-MACF正極材料(a-d)，碳納米管正極材料(e-h)。

張新波：1978年出生，中科院長春應用化學研究所研究員，博士生導師。1999年7月于長春科技大學（現吉林大學朝陽校區）化學系獲理學學士學位，2005年7月于長春應化所獲理學博士學位。畢業后受日本學術振興會（JSPS）及日本新能源產業技術開發機構(NEDO)資助在日本國立產業技術綜合研究所（AIST）關西中心從事新型貯氫材料、燃料電池、離子液體和鋰離子電池等研究。曾獲長春科技大學最佳論文獎（1999）和中科院院長優秀獎(2005)。多年來，主要從事清潔能源材料和高能化學電源等高效能量儲存與轉化方面的基礎和應用研究，重點開展新型儲氫材料、燃料電池、鎳金屬-氫化物電池、鋰（離子、空氣、硫）電池、液流電池等方面的研究。研究成果已在Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、ChemSusChem、Chemical Communications、Journal of Materials Chemistry、Journal of Physical Chemistry C、Inorganic Chemistry等國際著名學術期刊上發表學術論文47篇，他引620多次。

（作者信息來源于長春應用化學所官網）

文獻鏈接：Macroporous Interconnected Hollow Carbon Nanofibers Inspired by Golden-Toad Eggs toward a Binder-Free, High-Rate, and Flexible Electrode

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