华中科大开发高性能碳纤维自支撑锂离子电池负极材料

便携式电子设备和电动交通工具的飞速发展促成了先进锂离子电池的巨大需求，同时对锂离子电池的性能提出了更高的要求。V-VI族的金属化合物Bi2Se3具有理论比容量高、易于锂离子插入的片层结构、原料储量丰富、价格低廉和易于制备等优点，是一类有潜力的高性能锂离子电池负极材料。然而，其较低的电子电导率和离子扩散速率，导致充放电过程中电化学活性较差，电池容量衰减和循环寿命衰减严重，严重阻碍了V-VI族化合物在锂离子电池负极材料中的应用。

图1：Bi2Se3/CNFs的形貌结构

鉴于此，华中科技大学武汉光电国家研究中心李冲副教授及其团队利用静电纺丝法结合真空封管硒化法（合成的Bi2Se3晶型好、纯度高、易于后处理），成功制备了Bi2Se3纳米粒子（~40nm）嵌入碳纳米纤维(CNFs)三维网状结构的自支撑柔性电极Bi2Se3/CNFs（图 1）。这种特殊结构改善了Bi2Se3电极电子电导率和离子扩散速率较低的问题，增强了电极的电化学活性，进而能够提高比容量和倍率性能。

图2：（a）自支撑Bi2Se3/CNFs,磨碎的M-Bi2Se3/CNFs和Bi2Se3纳米片三种电极的循环性能；（b）以Bi2Se3/CNFs为负极组装的柔性软包全电池；（c）以商用钴酸锂和Bi2Se3/CNFs组装全电池折叠90度10次后点亮小LED灯

Bi2Se3/CNFs可直接用于锂离子电池负极（无需添加导电剂和粘结剂），相比于磨碎的Bi2Se3/CNFs和 Bi2Se3纳米片材料（使用导电剂和粘结剂），展现出优胜的锂离子存储性能（图2）。Bi2Se3/CNFs在100 mA g-1电流密度下循环260次后，比容量为443 mAh g-1（全电极）并保持缓慢增长。用Bi2Se3/CNFs制备的柔性软包全电池经90度折叠10次后，仍可点亮LED小灯 （图 2）。该工作为V-VI族金属化合物在高能量密度锂离子电池中的应用提供了一种新的材料设计思路。

以上相关成果发表在Materials Chemistry Frontiers上，项目得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的共同资助。论文作者为屈宏庆（第一作者）、尹红、王业龙、范成、Kwun Nam Hui、李冲（通讯作者）、朱明强。

来源：华中科技大学

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https://doi.org/10.1039/D0QM00884B