何海勇体积力，中国科学院宁波材料技术与工程研究所
范红金，新加坡南洋理工大学
作者：Zehua Zhao (赵泽华)#, Yuting Zhang (张羽婷) #, Haiyong He (何海勇)*, Linhai Pan (潘林海), Dongdong Yu (余冬冬), Ishioma Egun, Jia Wan (万佳), Weilin Chen (陈伟林), Hong Jin Fan (范红金) *
背景介绍
电池的体积容量密度的提高对于便携式和可穿戴电子设备的发展，具有重要意义。最大限度的提高体积容量密度，需要具有高的电极密度，同时较高的活性物质利用率。增加电极密度意味着致密结构，而保持活性物质利用率依赖于多孔结构，“致密”与“多孔”看似矛盾，互不相容，实则可以融合相谐。《道德经》有云：有无相乘，虚实相生。电极材料即为“实”，而孔结构即为“虚”，平衡好二者之间的关系，即可大幅度增加电极的体积容量密度。
图1. 管状电极和竹编状电极的形成示意图(a,b)及形貌(c,d)
文章亮点
近日，新加坡南洋理工大学范红金教授和中国科学院宁波材料技术与工程研究所何海勇研究员在Nano Letters上报导了一种具有超高体积容量密度的竹编状柔性碳质电极。方法说起来也很简单，将电纺得到的大口径碳管，简单地利用毛细管力，压缩成扁平的纳米带，这些纳米带面贴面紧密堆积，既增加了机械强度，也大大增强了导电 (图1)。虽然纳米带以无序方式交织成膜，但其结构类似竹篮。竹篮可用于盛东西，得益于其致密结构，但又有“竹篮打水一场空”的说法，因为其为多孔结构。因此，这种纳米带致密交织所成的电极兼具“致密”与“多孔”的特点，是一种提高容纳量密度的新思路。
图2. 管状电极（TFE）和和竹编状电极（BWFE）的折叠测试和电导率研究
竹编工艺可制备出各种精美的艺术品，得益于它的弯折稳定性。将竹编结构应用于电极设计也同增加了电极弯折稳定性。测试显示竹编状电极在弯曲500次之后任然能保持结构完整，而管状电极则脆如枯叶（图2a，b）。同时，致密化作用使得 96%的无效空间被压缩，电子再也不用长度跋涉，迂回曲折，使电极的导电性提高到6600 S/m（图2c，d）。经2800℃热处理后，竹编状电极的电导率达到50500 S/m，是电导率最高的碳质柔性电极之一（图2e）。
图3. 负载了活性物质SnO2 后的储锂性能比较
在两种电极被均匀负载SnO2纳米颗粒之后，竹编状结构能使电极的体积容量密度提升40倍（图3a）, 而且优于绝大多数报道的负载SnO2的电极，倍率性能也首屈一指（图3b 和c）。
总结/展望
该研究受中国传统竹编工艺的启发，将“致密”与“多孔”融为一体，展示了一种新型碳质电极。借助毛细管力压缩96%的无效体积体积力，使管状构构筑单元变身为带状。带子相互交织形成致密结构，可提高体积容量密度，而带子之间的孔隙可作为离子通道，提高活性物质利用率。这种新型结构为提高电极体积容量密，改善致密电极的电化学动力学行为，提供了新的思路，在柔性可穿戴式设备领域具有广泛的应用前景
相关论文发表在Nano Letters上，中科院宁波材料所硕士研究生赵泽华和张羽婷为文章的共同第一作者，何海勇研究员和范红金教授为通讯作者。
通讯作者信息
何海勇，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，研究员。2012年在国家纳米科学中心获得博士学位。2013-2017年在新加坡南洋理工大学从事研究工作。2017年进入中科院宁波材料所工作。主要研究领域为碳基及复合电极材料的微结构调控及其性能研究。
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Nano Lett.2022, 22, 3, 954–962
Publication Date: January 26, 2022
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