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劉波老師課題組

蘇州科技大學(xué)

1、老師簡介

劉波老師是蘇州科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，研究員，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所兼職研究員，齊魯工業(yè)大學(xué)客座教授。主要從事納米光電材料與器件相關(guān)研究工作。負(fù)責(zé)和參與科研項(xiàng)目包括國家納米重大科學(xué)研究計(jì)劃（973）等合計(jì)60余項(xiàng)；已發(fā)表期刊論文317篇（SCI論文230篇），授權(quán)中國發(fā)明專利119項(xiàng)、美國發(fā)明專利5項(xiàng)。

2、論文研究背景

隨著柔性電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，探索開發(fā)高性能的柔性儲(chǔ)能系統(tǒng)愈發(fā)關(guān)鍵。其中，柔性鋰離子電池在柔性電子和可穿戴設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，然而，有限鋰資源導(dǎo)致的高成本和不可控鋰枝晶形成導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)對其進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，迫切需要開發(fā)具有高天然豐度、低成本和高安全性的替代電池系統(tǒng)?？沙潆婃V離子電池有望成為鋰基電池系統(tǒng)的可靠替代品，因?yàn)殒V資源豐富且成本低廉，理論比容量高，具有合適的還原電位，在電化學(xué)沉積/溶解過程中不會(huì)形成樹枝狀晶體，具有高操作安全性。然而關(guān)于鎂離子電池柔性電極材料的研究極少。近年來，靜電紡絲被公認(rèn)為是制造3D多孔膜的最方便、最具成本效益和行業(yè)可行性的技術(shù)之一，越來越多的研究人員正專注于將電紡納米纖維基復(fù)合材料用作柔性電極。

3、論文亮點(diǎn)/摘要

隨著柔性電子技術(shù)的空前發(fā)展，開發(fā)與之匹配的柔性供電系統(tǒng)勢在必行。鎂離子電池（MIB）作為一種有前途的下一代電池系統(tǒng)，顯示出作為柔性電子設(shè)備電源的巨大潛力。然而，柔性鎂離子電池的研究仍處于起步階段，探索新型可靠的柔性電極至關(guān)重要。本文通過靜電紡絲法結(jié)合原位熱還原工藝，制備了一種無粘結(jié)劑且柔性的自支撐電極，該電極由雙金屬Bi-Sn納米顆粒錨定在碳納米纖維（CNF@Bi-Sn）中構(gòu)成，并首次應(yīng)用于鎂離子電池。CNF@Bi-Sn同時(shí)集成了多級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳納米纖維框架、均勻分散的納米級(jí)Bi-Sn顆粒以及增加的相/晶界等優(yōu)勢，這些特性有助于提高柔性電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并促進(jìn)Mg2+的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。CNF@Bi-Sn合金負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，高的初始比容量738mAhg?1，出色的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在40mAg?1的電流密度下循環(huán)100次后仍保持150mAhg?1的可逆容量。本工作通過定量動(dòng)力學(xué)分析、非原位SEM、TEM和XRD等手段，揭示了循環(huán)過程中柔性電極材料的結(jié)構(gòu)演變以及基于可逆兩相合金化/脫合金化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的鎂存儲(chǔ)機(jī)制。此外，還組裝了全電池，展示了其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。該研究為探索與開發(fā)具有高性能的柔性自支撐合金負(fù)極提供了新的思路。

4、圖文解析

圖1： CNF@Bi-Sn的制備示意圖及其柔性展示。

一：Bi-Sn納米顆粒均勻錨定在碳納米纖維中作為鎂離子電池的柔性自支撐負(fù)極

靜電紡絲和原位熱還原的方法制備了一種負(fù)載雙金屬Bi-Sn納米粒子的柔性薄膜（CNF@Bi-Sn），其表現(xiàn)出良好的柔性，可以承受各種形變（彎曲、扭曲、折疊等）。在組裝電池過程中沒有使用集流體、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑等。通過SEM和TEM可以看出Bi-Sn納米顆粒均勻分布在碳納米纖維中。

圖2：展示了CNF@Bi-Sn的SEM圖像（a, b）；CNF@Bi-Sn的TEM圖像（c, d）；HAADF-STEM圖像及相應(yīng)的C、Bi和Sn元素分布圖（e-h）；CNF@Bi-Sn的HR-TEM圖像（i, j）以及CNF@Bi-Sn的選區(qū)電子衍射（SAED）圖像（k, l）。

二：CNF@Bi-Sn表現(xiàn)出較高的可逆容量、優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性

CNF@Bi-Sn具有738mAhg-1的高初始比容量，經(jīng)過不同倍率循環(huán)后，其放電比容量可恢復(fù)到214 mAhg-1，證明了CNF@Bi-Sn電極具有良好的倍率性能。并且在40mAg-1的電流密度下100次循環(huán)后仍能保持150mAhg-1的較高可逆容量。

圖3：展示了樣品的電化學(xué)儲(chǔ)鎂性能。（a）CNF@Bi-Sn在0.1mVs?1掃描速率下的循環(huán)伏安曲線（CV曲線）；（b）CNF@Bi、CNF@Sn和CNF@Bi-Sn的倍率性能；（c）CNF@Bi-Sn在不同電流密度下的充放電曲線；CNF@Bi-Sn在40mAg-1電流密度下循環(huán)100次的循環(huán)性能（d）及在100 mAg-1電流密度下循環(huán)200次的循環(huán)性能（e）；（f）CNF@Bi、CNF@Sn和CNF@Bi-Sn的奈奎斯特圖（插圖為其對應(yīng)的等效電路模型）；（g）CNF@Bi-Sn電極在不同掃描速率下的CV曲線；（h）不同掃描速率下電容控制容量和擴(kuò)散控制容量的貢獻(xiàn)比例。

三：通過非原位表征揭示了鎂化/去鎂化過程中的結(jié)構(gòu)演變和儲(chǔ)鎂機(jī)制

通過非原位SEM、TEM和XRD等表征方法對CNF@Bi-Sn在鎂化/去鎂化過程中的形貌和結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了研究。TEM證明了CNF@Bi-Sn電極在完全放電（嵌鎂）和充電（脫鎂）后，Bi-Sn納米顆粒仍然被很好地包裹并均勻地分散在碳納米纖維中，這有效緩解了它們在合金化過程中體積變化并防止了活性材料的損失。EDS結(jié)果表明，在放電狀態(tài)Bi、Sn和Mg元素在碳基質(zhì)中均勻分布，非原位XRD也證實(shí)了CNF@Bi-Sn電極的儲(chǔ)鎂機(jī)理是基于可逆的兩相合金化/去合金化轉(zhuǎn)變反應(yīng)。

圖4：展示了CNF@Bi-Sn在完全放電狀態(tài)下循環(huán)20次后的SEM圖像（a）、TEM圖像（b,c）、HAADF-STEM圖像及相應(yīng)的Bi、Sn和Mg元素分布圖（d）、HR-TEM圖像（e）、XRD圖譜（f），以及CNF@Bi-Sn電極在充放電狀態(tài)下結(jié)構(gòu)演變的示意圖（g）。

5、本文所用設(shè)備

劉波老師課題組在實(shí)驗(yàn)中所用微型助力管式爐由科冪儀器提供，論文中也特別提到安徽科冪儀器有限公司，在此非常感謝老師對科冪儀器的選擇和認(rèn)可。

科冪儀器

安徽科冪儀器有限公司（Anhui Kemi Instrument Co.,LTD.）成立于2014年，總部設(shè)在安徽省合肥市，擁有近萬平方米的研發(fā)制造基地。公司持有A2級(jí)中國特種設(shè)備(壓力容器制造)生產(chǎn)資格許可證，是一家專注于科研儀器設(shè)備和中小試及產(chǎn)業(yè)化合成反應(yīng)裝備研發(fā)、制造的國家高新技術(shù)企業(yè)。

科冪儀器依托中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等雄厚的科研力量，研制了多款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的合成反應(yīng)設(shè)備。技術(shù)驅(qū)動(dòng)、方案營銷，專注于非標(biāo)方案的設(shè)計(jì)和多維立體化服務(wù)。產(chǎn)品已成功進(jìn)駐國內(nèi)所有985、211高校實(shí)驗(yàn)室及新材料、新能源、生物制藥、生態(tài)環(huán)境等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)頭部企業(yè)，并遠(yuǎn)銷歐美、澳洲、中東等地，覆蓋國內(nèi)外科研及企業(yè)客戶20000余家，助推研發(fā)應(yīng)用4000余項(xiàng)，助力用戶發(fā)表SCI（一區(qū)）論文900余篇。      

作為央視《中國品牌故事》入選企業(yè)、安徽省專精特新企業(yè)、合肥市工業(yè)設(shè)計(jì)中心，科冪儀器秉承“嚴(yán)謹(jǐn)專業(yè)·創(chuàng)新高效·精益求精·創(chuàng)造價(jià)值”的科冪精神，致力于用專業(yè)和品質(zhì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，為科研工作者加速取得科研成果提供更加“安全·便捷·精確·高效”的儀器設(shè)備。

公司主營科研儀器設(shè)備和中小試及產(chǎn)業(yè)化合成反應(yīng)裝備。如：水熱釜、快開式高壓反應(yīng)釜、高溫爐式設(shè)備（熱解爐/CVD爐/回轉(zhuǎn)爐/真空爐/熱重爐等）、固定床、催化劑評價(jià)裝置、光催化反應(yīng)裝置、LED單波長光源、非標(biāo)定制設(shè)備等。如有需要請聯(lián)系各銷售經(jīng)理或在公眾號(hào)下方留言，咨詢熱線：400-8855-630。