柔性高倍率電池薄膜電極制備方法

　　近年來，隨著便攜式可穿戴電子設備市場需求的日益增長，迫切需要開發(fā)柔性、輕便，且能夠在固態(tài)電解質(zhì)中進行高倍率、安全穩(wěn)定運行的供電系統(tǒng)。作為最重要的儲能器件之一，鋰離子電池因其高能量密度、長循環(huán)壽命和無記憶效應等優(yōu)勢，被看作是最有前景的儲能媒介之一。然而，柔性鋰離子電池，尤其是那些使用固態(tài)電解質(zhì)的電池，受限于電極、電解質(zhì)內(nèi)部以及界面處離子和電子較低的遷移速率，通常具有較小的功率密度。發(fā)展具有高能量密度和高功率密度，同時兼具柔性和安全性能的可充電電池電極仍是一項艱巨的挑戰(zhàn)。

　　二維材料作為一類冉冉升起的新星，在平面方向具有無限的尺寸而在厚度方向僅為原子或分子尺度，是構建柔性電極極好的平臺。首先，二維材料具有極好的延展性、柔性和機械強度，因而僅通過隨機堆垛就能構建超薄柔性電極；其次，超薄的厚度帶來高比例暴露的表面原子，有利于電化學反應過程活性位點的大量參與；最后，特殊的二維離子傳輸通道能夠大大提高倍率性能。

　　基于此，蘇州大學耿鳳霞教授研究團隊報道了一種分子水平堆垛二維鈦基金屬氧化物和碳化物，制備柔性高倍率電池薄膜電極的方法。得益于快速的離子/電子傳輸通道和穩(wěn)定的電極結構，所制備的電極展現(xiàn)出極好的倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性。

　　都柏林圣三一學院的Jonathan Coleman教授發(fā)展了一個適用于各種電極和電極厚度的定量描述倍率性能的指標，電極傳遞系數(shù)，它的值一般在10-13 m2 s−1至10-9 m2s−1。該柔性薄膜電極的傳遞系數(shù)為0.87×10−11 m2 s−1，優(yōu)于大部分已報道的自支撐柔性薄膜電極，進一步證明了其優(yōu)異的倍率性能。

　　此外，將該電極作為負極、碳布支撐的商用磷酸鐵鋰作為正極，與聚(乙二醇)二胺基凝膠聚合物電解質(zhì)共同組裝成準固態(tài)柔性鋰離子全電池。值得一提的是，該凝膠電解質(zhì)（0.41 mS/cm）具有特殊的交聯(lián)分子結構，其離子電導率接近單一液態(tài)電解質(zhì)。在外力下進行不同程度的形變，該柔性準固態(tài)全電池的最大輸出電壓保持為4.25V；在保持高能量密度（59 Wh/kg）的同時展現(xiàn)出有競爭力的功率密度（1412 W/kg），優(yōu)于大多數(shù)報道的使用液態(tài)電解質(zhì)的柔性鋰離子電池，甚至可以與一些紐扣電池相媲美；此外，即使在進行反復切割、自修復過程后，仍能穩(wěn)定地為器件供電，顯示其應用于可穿戴電子設備的巨大潛力。

　　圖一：(a) 所制備的復合膜電極中titania和Ti3C2片層堆垛示意圖；(b) 電流密度40mA/g至2000mA/g范圍內(nèi)復合膜電極的倍率性能；(c) 兩個串聯(lián)的軟包電池在不同形變時給智能手機穩(wěn)定充電；(d) 電池切割前后和自修復后為電子手表供電。

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