柔性高倍率電池薄膜電極制備方法

　　近年來(lái)，隨著便攜式可穿戴電子設(shè)備市場(chǎng)需求的日益增長(zhǎng)，迫切需要開(kāi)發(fā)柔性、輕便，且能夠在固態(tài)電解質(zhì)中進(jìn)行高倍率、安全穩(wěn)定運(yùn)行的供電系統(tǒng)。作為最重要的儲(chǔ)能器件之一，鋰離子電池因其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，被看作是最有前景的儲(chǔ)能媒介之一。然而，柔性鋰離子電池，尤其是那些使用固態(tài)電解質(zhì)的電池，受限于電極、電解質(zhì)內(nèi)部以及界面處離子和電子較低的遷移速率，通常具有較小的功率密度。發(fā)展具有高能量密度和高功率密度，同時(shí)兼具柔性和安全性能的可充電電池電極仍是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

　　二維材料作為一類冉冉升起的新星，在平面方向具有無(wú)限的尺寸而在厚度方向僅為原子或分子尺度，是構(gòu)建柔性電極極好的平臺(tái)。首先，二維材料具有極好的延展性、柔性和機(jī)械強(qiáng)度，因而僅通過(guò)隨機(jī)堆垛就能構(gòu)建超薄柔性電極；其次，超薄的厚度帶來(lái)高比例暴露的表面原子，有利于電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程活性位點(diǎn)的大量參與；最后，特殊的二維離子傳輸通道能夠大大提高倍率性能。

　　基于此，蘇州大學(xué)耿鳳霞教授研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種分子水平堆垛二維鈦基金屬氧化物和碳化物，制備柔性高倍率電池薄膜電極的方法。得益于快速的離子/電子傳輸通道和穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu)，所制備的電極展現(xiàn)出極好的倍率性能和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。

　　都柏林圣三一學(xué)院的Jonathan Coleman教授發(fā)展了一個(gè)適用于各種電極和電極厚度的定量描述倍率性能的指標(biāo)，電極傳遞系數(shù)，它的值一般在10-13 m2 s−1至10-9 m2s−1。該柔性薄膜電極的傳遞系數(shù)為0.87×10−11 m2 s−1，優(yōu)于大部分已報(bào)道的自支撐柔性薄膜電極，進(jìn)一步證明了其優(yōu)異的倍率性能。

　　此外，將該電極作為負(fù)極、碳布支撐的商用磷酸鐵鋰作為正極，與聚(乙二醇)二胺基凝膠聚合物電解質(zhì)共同組裝成準(zhǔn)固態(tài)柔性鋰離子全電池。值得一提的是，該凝膠電解質(zhì)（0.41 mS/cm）具有特殊的交聯(lián)分子結(jié)構(gòu)，其離子電導(dǎo)率接近單一液態(tài)電解質(zhì)。在外力下進(jìn)行不同程度的形變，該柔性準(zhǔn)固態(tài)全電池的最大輸出電壓保持為4.25V；在保持高能量密度（59 Wh/kg）的同時(shí)展現(xiàn)出有競(jìng)爭(zhēng)力的功率密度（1412 W/kg），優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的使用液態(tài)電解質(zhì)的柔性鋰離子電池，甚至可以與一些紐扣電池相媲美；此外，即使在進(jìn)行反復(fù)切割、自修復(fù)過(guò)程后，仍能穩(wěn)定地為器件供電，顯示其應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備的巨大潛力。

　　圖一：(a) 所制備的復(fù)合膜電極中titania和Ti3C2片層堆垛示意圖；(b) 電流密度40mA/g至2000mA/g范圍內(nèi)復(fù)合膜電極的倍率性能；(c) 兩個(gè)串聯(lián)的軟包電池在不同形變時(shí)給智能手機(jī)穩(wěn)定充電；(d) 電池切割前后和自修復(fù)后為電子手表供電。

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