氧空位助力柔性钠离子电池

余彦

中国科学技术大学材料科学与工程系，合肥 230026

钠离子电池柔性F-TiO2-x电极材料的制备1。

下一代小型化便携式电子设备，如可穿戴设备、可植入医疗和可折叠器件等的快速发展需要储能器件兼具高能量密度和优异机械柔性的特点。尽管目前有一些不同柔性器件的报道，如柔性太阳能电池、柔性Li-S电池、柔性超级电容器和柔性锂离子电池。但是，目前研究者们大多数还是专注于柔性锂离子电池。值得注意的是，有限的锂资源以及较高的成本使得人们对柔性锂离子电池的应用前景仍然担忧1,2。与之不同的是，钠盐资源丰富、环境友好、价格低廉，因此将廉价的钠离子电池与柔性材料结合起来制备钠离子电池柔性电极材料将具有重要的研究价值3,4。但是，目前柔性钠离子电池的制备大多数还是依赖于成本较高的石墨烯或碳纳米管作为柔性基底，而采用静电纺丝制备柔性电极则多是采用将纳米级活性材料嵌入碳纳米管的方法，因此所制备的电极材料负载量小而且电极材料的选择极其有限。

近日，北京理工大学吴川教授和白莹教授课题组从缺陷和空位调控的角度出发(Energy Storage Materials, doi: 10.1016/j.ensm.2019.09.001)，使用一种高效的非原位静电纺丝的方法，克服了纺丝液制备过程中粉末与高聚物对溶剂的高度选择性难题5。不仅制备出了机械性能优异的柔性电极，而且将氧空位成功引入半导体的锐钛矿TiO2，所制备的F-TiO2-x柔性电极作为钠离子电池负极材料表现出超过TiO2理论容量的超高容量(0.1C倍率的电流密度下具有353 mAh·g-1的可逆容量)，和循环性能(在1C倍率下循环1000次，仍然有331 mAh·g-1的容量保持)。值得关注的是，其所组装的钠离子全电池F-TiO2-x-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2表现出2.6 V的平均工作电压，在500 mA·g-1的电流密度下循环200周几乎没有容量衰减。

不仅于此，该课题组还使用静电纺丝法合成3D电子包裹的大尺寸颗粒的Na3V2(PO4)3柔性钠离子正极材料6。这一工作不仅首次实现聚丙烯腈(PAN)在非N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混溶型Na3V2(PO4)3的静电纺丝，而且克服了传统静电纺丝方法制备1D电极材料负载量低、振实密度低的缺点。并与负极材料NaTi2(PO4)3成功组装钠离子软包全电池，其在弯折状态仍然能够正常点亮LED灯且不出现短路现象。该方法高效、普适性强，对于其他不同种类的柔性电极材料的制备方法具有很好的借鉴作用。

二维材料一直是能源存储与转化方向研究的一类热门材料7。其中，二硫化钼(MoS2)因为其高的比容量和倍率性能也是广受关注。该课题组使用非原位静电纺丝法合成碳纳米纤维弹性束缚纳米花状MoS2自支撑柔性薄膜材料，极大的提高了MoS2自身电子电导率低，其作为钠离子电池柔性负极材料具有高达596 mAh g-1的理论容量，在1 A·g-1大电流密度下循环1100周仍然具有90%容量保持8。与直接水热法制备的MoS2电极相比，其提高的电化学性能应该归功于MoS2显著增加的层间距，N掺杂CNFs提高的电子电导和离子电导率。

通过将氧空位高效地引入钠离子电池的电极材料，能够从原子水平上进行精细调控；再结合非原位静电纺丝的自支撑柔性电极制备技术，为构建更高能量密度的柔性电池提供了新的策略。