中科院&北科&香港理工Adv. Mater.：用于柔性锂离子电池的V2O5织物正极具有高容量和稳定性

【引言】

目前，锂离子电池功率和能量密度高，循环寿命长，对环境友好。然而，它体积大，柔性差，因此它不是柔性、可穿戴的电子器件的电源的理想选择。高度柔性、电化学性能优异的锂电池的开发迫在眉睫，设计和制备柔性电极便是一个主要的挑战。在用来制备柔性电极的基材中，三维结构的织物由于成本低、比表面积大、穿着舒适、柔性极佳、质量轻而最受青睐。新型的正极材料V₂O₅理论比容量高，储量丰富。制备柔性V₂O₅织物正极所需的严苛的条件和昂贵的材料阻碍了它们的大规模应用。最重要的问题是，高循环稳定性、良好的倍率性能和高负载不能同时实现。空心的微米/纳米结构的开发可能会同时解决这些问题，尤其是含有由零维纳米颗粒组成的多孔的壳的三维空心多壳结构。这种结构能提供较大的比表面积和较多的储锂活性位点，因此能提高电极的比容量。此外，这种结构能更好地接触锂离子，提高倍率性能。更重要的是，这种结构能有效地缓冲体积膨胀，减轻有重复的嵌/脱锂引起的应力和应变，导致长期循环稳定性有较大的提高。目前关于这种结构的柔性织物正极的工作很少。

【成果简介】

近日，中国科学院过程工程研究所的王丹教授、北京科技大学的于然波教授和香港理工大学的郑子剑教授（共同通讯作者）报道了高性能的柔性锂离子电池的基于三维织物的正极。这种织物正极利用涂覆镍的棉（Ni-cotton）织物作为导电集流体和载体，利用单壳或者多壳的V₂O₅空心结构（nS-V₂O₅,n是壳的数量）作为活性材料。3S-V₂O₅/Ni-cotton织物电极的负载量高达2.5 mg cm⁻²，它在500个充放电循环后容量为222.4 mA h g⁻¹。更重要的是，电极被弯曲180°后电压几乎不变，几百次弯曲和折叠的循环后容量没有明显降低。上述成果发表于国际期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1.复合织物电极的制备

a.V₂O₅空心结构/Ni-cotton织物电极的制备过程的示意图。

b.棉（i）、Ni-cotton（ii）、V₂O₅空心结构/Ni-cotton织物（iii）的照片和3S-V₂O₅空心结构的TEM图。（iii）的插图是弯曲的电极。

c.织物电极的截面SEM图， 凹面部分(ci)和凸面部分(cii)。

d.棉、Ni-cotton、V₂O₅空心结构/Ni-cotton电极的XRD图。

e.1000个弯曲的循环后不同负载量的V₂O₅空心结构/Ni-cotton织物电极的电阻。

图2.V₂O₅负载量为2.0 mg cm⁻²的扣式电池的电化学性能

a.3S-V₂O₅空心结构/Ni-cotton的第1、25、50、100和200次充放电曲线。

b.电流密度为500 mA g⁻¹的V₂O₅空心球状结构/Ni-cotton、2S-V₂O₅和3S-V₂O₅空心结构/Ni-cotton和V₂O₅纳米片/Ni-cotton织物电极的循环稳定性。

c.V₂O₅空心球状结构/Ni-cotton、2S-V₂O₅和3S-V₂O₅空心结构/Ni-cotton和V₂O₅纳米片/Ni-cotton织物电极的倍率性能。

d.V₂O₅空心球状结构/Ni-cotton、2S-V₂O₅和3S-V₂O₅空心结构/Ni-cotton和V₂O₅纳米片/Ni-cotton织物电极的Nyquist曲线。

图3.电流密度为200 mA g⁻¹时3S-V₂O₅空心结构的负载量不同的3S-V₂O₅空心结构/Ni-cotton电极的电化学性能

a.负载量不同时充放电曲线

b.负载量为3.0和3.5 mg cm⁻²的电极的循环稳定性

c.负载量为2.5 mg cm⁻²的电极的循环稳定性

图4.柔性织物电池的电化学性能和机械性能

a.柔性电池的结构的示意图

b. 3S-V₂O₅空心结构/Ni-cotton的循环稳定性

c.25次充放电循环和0、100、200和500次弯曲循环后柔性电池的充放电曲线

d.柔性电池被弯曲0°、90°和180°后均能点亮LED

【小结】

研究团队成功地制备了V₂O₅空心结构/Ni-cotton柔性电极，组装了织物基锂离子电池。3S-V₂O₅空心结构/Ni-cotton柔性电极在负载量为2.5 mg cm⁻²的情况下，500次嵌/脱锂循环后容量为222.4 mA h g⁻¹。这种电极的性能没有明显衰减，即使在大的弯曲变形和几百次弯曲和折叠的循环后。更重要的是，Ni-cotton集流体、V₂O₅空心结构材料和V₂O₅空心结构/Ni-cotton复合电极的制备很简单，可以大规模应用。V₂O₅空心结构/Ni-cotton复合电极在不久的将来在商业化的高度柔性锂离子电池中具有前景。

文献链接：V₂O₅ Textile Cathodes with High Capacity and Stability for Flexible Lithium-Ion Batteries（Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.201906205）

本文由kv1004编译供稿。

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