【摘 要】
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受益于人类科技与文明的进步,便携式与可穿戴电子设备的蓬勃发展推动了柔性储能器件的研究。设计和研发出高效、安全且环保的柔性储能器件成为全球关注的热点。镍铁电池具有环保、成本低、高安全性等特点,在柔性电子设备和新能源汽车等领域具有广阔的应用前景。然而,传统镍铁电池的铁基负极在循环过程中会出现钝化、析氢和体积膨胀等现象,导致镍铁电池存在库伦效率低下、循环稳定性差、实际容量小等问题。氧化铁作为过渡金属氧化
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受益于人类科技与文明的进步,便携式与可穿戴电子设备的蓬勃发展推动了柔性储能器件的研究。设计和研发出高效、安全且环保的柔性储能器件成为全球关注的热点。镍铁电池具有环保、成本低、高安全性等特点,在柔性电子设备和新能源汽车等领域具有广阔的应用前景。然而,传统镍铁电池的铁基负极在循环过程中会出现钝化、析氢和体积膨胀等现象,导致镍铁电池存在库伦效率低下、循环稳定性差、实际容量小等问题。氧化铁作为过渡金属氧化物之一具有理论容量大、析氢电位高、资源丰富等特点而引起广泛关注,但导电性差、颗粒团聚等问题限制了其进一步的发展。针对铁基负极存在的诸多问题以及镍铁电池在柔性储能领域应用的巨大潜力,本论文采用纳米结构设计和表面改性策略,搭建了三维结构表面,为氧化铁基活性材料电化学反应提供足够的电子/离子传输通路,从而构建了高储能特性柔性镍铁电池。主要内容如下:（1）通过凝胶涂覆、碱液刻蚀与高温烧结的方法,在柔性碳布上原位构建了表面多孔的碳包覆铁/氧化铁纳米颗粒负极（3D-Fe/Fe2O3@C）。其中,Fe/Fe2O3异质结构均匀分散在碳层骨架内,提高了活性材料的利用率。Fe/Fe2O3异质结和碳包覆结构的形成提高了材料的载流子密度和导电性。三维多孔结构使电极的亲水性和电活性表面积得到明显改善,展现出3.07 m Ah cm-2的面积比容量以及优异的倍率性能和库伦效率。此外,3D-Fe/Fe2O3@C负极与Ni Co2O4正极容量匹配后组装为准固态镍铁电池,可提供最大为15.53 m Wh cm-3的能量密度和761.91 Wh cm-3的功率密度。此外,该柔性镍铁电池在任意角度弯曲及20000次循环后仍保持了良好的电化学性能和机械稳定性,为新一代可穿戴储能器件的设计与制备提供了新的见解。（2）使用两步电沉积工艺在碳纤维表面制备了Fe2O3纳米片和Ti3C2Tx MXene纳米片分层的铁基负极复合材料（3D-MXene/Fe2O3）。Fe2O3纳米片与Ti3C2Tx纳米片上的官能团之间的相互作用大大提高了Ti3C2TxMXene的离子/电子传输效率,改善了电极的电导率和稳定性。制备的3D-MXene/Fe2O3负极的最大体积比容量为37.4 m Ah cm-3。利用电沉积法与退火工艺制备了Ni Co O正极,并与3D-MXene/Fe2O3负极容量匹配组装为纤维镍铁电池。该纤维电池拥有35.1 m Ah cm-3的高体积比容量和56.2 m Wh cm-3的能量密度以及优异的循环寿命和机械柔性,为下一代柔性镍铁电池铁基负极的设计和改进提供了参考。
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