Design of Flexible Films Based on Kinked Carbon Nanofibers for High Rate and Stable Potassium‑Ion StorageQiaotian Xiong, Hongcheng He, Ming Zhang*
Nano-Micro Letters (2022)14: 47
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00791-y
本文亮点1. 从微观、中观和宏观三个层面设计了扭结多孔碳纳米纤维柔性薄膜。
2. 具有多孔、扭结和缠结网络结构的纤维膜阳极具有较高的钾离子储存速率和稳定性。
内容简介近年来,随着可穿戴电子产品的出现,柔性储能材料得到了广泛的研究。然而,目前的研究大多侧重于提高电极的电化学性能,而忽略了高倍率容量和长期稳定性的柔性电极材料的柔性机理和结构设计。湖南大学张明教授课题组设计了一种多孔扭结网络结构柔性纤维薄膜,并用作电极材料来提升储钾速率和稳定性。理论分析和有限元模拟结果表明,孔隙率为30%的多孔结构,其弯曲度在微观水平上提高了192%。适当提高纤维薄膜的中观扭结度和宏观纠缠网络中的接触点,有利于提高薄膜的柔韧性。因此,结合理论分析和模拟结果,以三聚氰胺为氮源,分段硫化法合成了一种硫氮共掺杂扭结碳纳米纤维(S/N-KCNFs)多孔网状结构。此纳米纤维薄膜呈现多孔、扭结、纠缠网状结构,不但拉伸程度提高了数倍,而且作为阳极材料,在电流密度为2000 mA g⁻1时的倍率性能为270 mAh g⁻1,2000次循环后的容量保持率为93.3%。用钾离子混合超级电容器组装的可折叠袋电池,在大角度弯曲下不但可以安全工作,而且4000次循环后容量保持88%。本研究为高性能钾离子存储材料的柔性电极设计和制备提供了新的思路和策略。图文导读I 柔性理论分析
为了进一步研究S/N-KCNFs的电化学性能,以钾箔为参比电极和负极,S/N-KCNFs为阳极,3 M KFSI为电解液,组装了半电池。首先,采用循环伏安法研究了S/N-KCNFs碳材料的电化学性能。这种优异的循环稳定性归因于纤维中的中孔和微孔的特殊孔隙分布,这有利于电解质的充分润湿和电极材料的体积膨胀。
图5. (a) S/N-KCNFs的前五个CV循环;(b) 使用S/N-KCNFs、S-KCNFs、N-KCNFs和CNFs作为PIBs负极时,在50 mA g⁻1电流密度下进行比容量循环测试和库仑效率;(c) 在放电和充电过程中,S/N-KCNFs作为PIBs负极的异位XPS;(d) S/N-KCNFs、S-KCNFs和N-KCNFs在50-2000 mA g⁻1电流密度下的倍率能力;(e) 将PIBs中不同碳质材料的倍率性能与目前的工作进行比较;(f) 研究了S/N-KCNFs在1000 mA g⁻1的高电流密度下2000次超长循环的稳定循环性能和库仑效率。