超轻质柔性SnS2@石墨烯纤维织物的合成及储钠性能研究

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随着便携式电子设备在市场中的占有率越来越大,制造“柔性、易携带、高性价比的电子设备”成为电子设备制造商们最关注的问题之一。便携式电子设备的应用不仅仅局限于智能手机、平板电脑等领域,在健康、航空航天、先进制造领域也具有巨大的应用潜力。然而,随着柔性电子触摸屏、柔性微纳器件等的快速发展,柔性储能器件逐渐成为电子设备柔性化的关键技术挑战。现有的研究表明,传统的蓄电池体系如锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等若应用到便携式储能器件领域,都会存在一定的局限性。以电极为例,在器件弯曲时,粉末涂敷的电极膜容易发生结构溃散,导致电池失效,埋下安全隐患。因此,本论文将重点对新兴钠离子电池负极进行研究,讨论钠离子电池应用在柔性电子设备上时会遇到的问题,以及如何使用石墨烯纤维织物来解决这些问题。本论文设计了一种全新的SnS2@石墨烯纤维织物体系以解决传统的SnS2粉末涂覆电极中存在的下列问题:一是,传统SnS2电极(SnS2+铜箔/铝箔/泡沫镍集流体+导电添加剂+粘结剂)的组合极大的压缩了活性材料在电极整体中所占的质量比,严重影响了电极整体的比容量提升。二是,SnS2在循环过程中会发生一定程度的体积膨胀,若仅依靠粘合剂进行固定,粉末电极在循环中极易发生因体积变化而引起的结构破坏,造成容量快速下降;而SnS2导电率很低,若活性材料与导电添加剂脱离,将严重影响能量密度,造成活性材料的无法有效利用。因此,我们选用SnS2作为活性材料、石墨烯纤维织物作为柔性导电框架,构建了无粘结剂、轻质多孔、柔韧性极佳的SnS2@石墨烯纤维织物复合电极(SnS2@rGF)。其中,SnS2纳米晶是通过SnO2纳米晶原位硫化而得,因此能够很好地保留纳米晶原位成核时的强界面结合效应,从而赋予复合体良好的界面载流子迁移效率和电极结构稳定性。研究发现,SnS2活性材料在SnS2@rGF复合织物中的质量占比可以达到67.2wt%,石墨烯纤维织物所占质量比例远小于其它类型集流体;而且SnS2@rGF电极可以任意弯曲,其柔韧性要好于铜、铝及镍集流体和电极活性材料。电化学测试表明,所构建的SnS2@rGF柔性电极在电流密度为0.1,0.2,0.5,1.0和2.0 A/g时的第二次储钠比容量为836,818,706,593和492mAh/g,而在小电流密度下的比容量非常接近理论值。当在0.5A/g的恒电流循环测试中,电池循环到第50,100,200和500次时的容量保持率分别为95.89%(677mAh/g),82.57%(583mAh/g),76.20%(538mAh/g)和70.82%(500mAh/g),库伦效率均接近100%。与已有的研究结果相比,本论文设计的SnS2@rGF柔性电极体系具有较高的实际容量,超过绝大部分现有工作。综上所述,本课题使用超轻石墨烯纤维织物作为集流体,很大程度上改善了上文中提到的活性材料占比低、脱落和结构破坏的问题,从而实现所构建的SnS2@rGF复合电极电化学性能的改善。这种新颖的电极和电极材料设计思路,可以为高性能柔性钠离子电池体系的研究提供有益借鉴。
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