【摘 要】
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钠离子电容器(Sodium Ion Capacitors,SICs)兼具了类超级电容器的高功率密度和近电池级的能量密度等特点,在锂离子资源越来越紧缺的后锂离子储能时代,吸引了广泛的关注,其柔性器件在未来可穿戴电子产品领域也显示出巨大的发展潜力。铋(Bismuth,Bi)作为一种合金型负极材料,具有高的储钠比容量,但由于其在合金化过程中体积变化剧烈,极易导致电极粉化,严重影响其循环稳定性,使Bi材料
【基金项目】
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天津市自然科学基金(19JCYBJC17900); 河北工业大学建华科研基金(HB1921);
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钠离子电容器(Sodium Ion Capacitors,SICs)兼具了类超级电容器的高功率密度和近电池级的能量密度等特点,在锂离子资源越来越紧缺的后锂离子储能时代,吸引了广泛的关注,其柔性器件在未来可穿戴电子产品领域也显示出巨大的发展潜力。铋(Bismuth,Bi)作为一种合金型负极材料,具有高的储钠比容量,但由于其在合金化过程中体积变化剧烈,极易导致电极粉化,严重影响其循环稳定性,使Bi材料的实际应用受到限制。本研究针对上述问题,利用微波辐照技术,在极短时间内对Bi在碳材料表面进行再分散,改善其综合储钠性能,进而优化了柔性SICs。主要研究内容如下:(1)首先通过湿法纺丝结合微波辐照技术制备了负载Bi纳米颗粒的柔性石墨烯纤维无纺布(Graphene Fiber Fabric,GFF)。通过调节微波辐照时间和π-π共轭结构,原始微米量级Bi颗粒可以在5 s内以20 nm的平均粒径均匀再分散在GFF表面。这种Bi/GFF复合结构有利于高效微波耦合与协同焦耳加热,有效促进了Bi纳米颗粒的再分散行为。研究表明,微波累积能量(Ea)和表面能(Es)之间的竞争机制以及GFF基材的微波耦合能量转换效果对于Bi纳米颗粒的再分散行为产生了积极影响。Bi/GFF复合材料也表现出了良好的导电性和柔韧性,纳米Bi可以有效缓解合金化过程中的体积变化,加快了界面电子传输和储钠反应动力学,在30 A g-1的高电流密度下可提供112.5 m Ah g-1的质量比容量。以Bi/GFF为负极,活性炭(Active Carbon,AC)/石墨烯纤维无纺布(AC/GFF)为正极组装的柔性准固态SICs表现出了良好的电化学性能与机械稳定性,最大体积能量密度可达16.2 m Wh cm-3。(2)为了进一步提高柔性电极的面密度,进而提升柔性SICs的体积比性能。利用真空抽滤法制备了负载金属Bi盐的碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)二维薄膜,结合微波辐照诱导碳热冲击原位还原Bi纳米颗粒。碳材料良好的微波吸收性能,确保预载的金属盐前驱体快速分解并原位还原为Bi纳米颗粒。CNTs的引入提高了柔性电极的面密度,进一步增强了沿着三维方向的离子扩散与电子传导。纳米Bi提供了丰富的合金化活性位点,可以有效缓解充放电过程中体积变化导致的结构粉化。所获得的Bi/CNTs二维薄膜在30 A g-1的高电流密度下,放电比容量可达278.1 m Ah g-1,经过3500次循环后容量保持率高达94%。随后,组装的柔性准固态SICs,体积能量密度可以达到21 m Wh cm-3,表现出了优异的机械稳定性、集成性能和电化学性能。
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