自1991年索尼首次商业化以来,锂离子电池(LIBs)由于其能量转换效率高,循环寿命长,能量密度高等特点成为了能量存储领域的支柱,近年来对于锂离子电池的研究方兴未艾。然而,一直以来,大多数研究都集中在如何提高锂离子电池本身的性能方面,如采取各种技术手段提高其容量、能量密度、循环寿命等,但是很少有人关注其制备过程中所消耗的能量。随着电动汽车,柔性电子产品和航空航天设备领域不断发展,LIBs在电极材料制备方面面临着巨大挑战。近年来,Si/C复合材料被认为是最有吸引力和最具前景的负极材料。因为硅具有很高的理论容量和Li嵌入/脱出的低电化学电位,而碳质组分则可以改善材料的导电性,缓冲循环过程中Si的体积变化。Si/C复合材料的制备工作已经取得了很大的进展,如水热处理,化学气相沉积(CVD),和镁热还原等,其中,静电纺丝作为一种大批量快速生产均匀纳米纤维的方法,在各种制备方法中脱颖而出。然而,由于极高的电压需求(数万甚至数十万伏),静电纺丝过程能耗极高,增加了纤维制造成本,因此,无论从静电纺丝本身的发展和普遍化,还是从降低锂离子电池电极材料制备能耗的方面出发,都需要为静电纺丝系统开发一套新型的环保电源。

近日,清华大学徐盛明研究员课题组、中科院北京纳米能源与系统研究所曹霞教授和王中林院士课题组合作报道了一种基于自供电静电纺丝系统的LIBs负极材料的节能制备方法。该系统由旋转式摩擦纳米发电机(r-TENG),倍压整流电路和静电纺丝单元组成,通过收集手柄旋转产生的动能,r-TENG完全可以为静电纺丝系统提供电能,无需任何外接电源,真正实现了系统的“自供能”。由该系统制备的Si@void@C纳米纤维被用作LIBs负极材料时,具有优异的循环性能,100次循环后放电容量为1045.2 mAhg-1,容量保持率为88%,并且在高电流密度下具有优异的倍率性能材料各项性能完全可与商业电访设备制备的负极材料媲美。该研究从一个全新的角度出发,不仅降低了LIBs电极材料的制备成本,而且为所有应用纤维的领域降低了能耗。该论文第1作者为清华大学博士生韩宇,通讯作者为徐盛明研究员,曹霞教授和王中林院士为共同通讯作者,其相关研究成果“Si@void@C Nanofibers Fabricated Using a Self-Powered Electrospinning System for Lithium-Ion Batteries”为题发表在ACS Nano上。

(a)r-TENG的示意图

(b,c)r-TENG的照片

(d)制造的r-TENG的短路电流

(d)r-TENG的开路电压

图2 电纺丝系统的示意图和实物照片

(a)倍压整流电路的工作机理

(b)倍压整流电路的照片

(c)r-TENG通过整流桥对电容充电曲线(插图:充电电路图)

(d,e)自供电静电纺丝系统的示意图和实物照片

(d)在r-TENG旋转之前和之后针头的高速照片。

图3 纳米纤维的表征

(a,b)在碳化和蚀刻之前和之后的Si @ SiOx-PAN纳米纤维的SEM图像

(c)Si @ void @ C NFs的TEM图像,示意图

(d)HRTEM图像

(e)Si@void@C NFs的EDS图像

图4 纳米纤维的成分分析

Si NPs, PAN-derived C NFs, Si@void@C NFs的 (a) XRD, (b) Raman, (c) TGA, (d) XPS及对应的 (e) Si 2p图谱, (f) Si@void@C NFs 的Si 2p谱

图5 纳米纤维的电化学性质

(a)CV曲线

(b)不同循环下Si @ void @ C NFs的充电/放电电压曲线

Si NPs, PAN-derived C NFs, Si@void@C NFs的 (c) 循环和 (d) 倍率性能

(e)在不同电流密度下Si @ void @ C NFs的充电/放电电压曲线

(f)Si @ void @ C NFs的阻抗谱

本文介绍一种通过集成旋转式摩擦纳米发电机,倍压整流电路和简单的静电纺丝设备来制造锂离子电池电极材料的自供能制备方法。与直流电源提供高压的传统静电纺丝工艺不同,这种自供能静电纺丝系统完全由r-TENG驱动,无需任何外接电源。 通过收集手柄旋转产生的动能,r-TENG可以输出1.0 kV的交流电压,将其通过倍压和整流之后,输出的直流电压高达16 kV,完全可以驱动静电纺丝系统制备纳米纤维。当用作LIBs的负极材料时,由该系统制备的Si @ void @ CNFs显示出良好的循环性能(100次循环后〜1045.2 mA hg-1)和优异的倍率性能,,可完全替代商业电纺设备制备的纤维。由于其结构简单,成本低廉,效率高,适应性好,这种自供能静电纺丝系统不仅大大降低了LIBs生产行业的功耗,而且为依赖纳米纤维的应用领域带来了突破。 

文献链接:Si@void@C Nanofibers Fabricated Using a Self-Powered Electrospinning System for Lithium-Ion Batteries(ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.8b01558)

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