圖片來源：期刊Nano Research

 

中國石油大學(xué)新能源學(xué)院研究院Han Hu表示：“在所有可用的候選設(shè)備中，采用鋰存儲(chǔ)化學(xué)的儲(chǔ)能設(shè)備，如鋰離子電池和鋰離子電容器，可以在當(dāng)前階段提供最佳性能。”

 

然而，鋰離子技術(shù)因尺寸和效率無法在儲(chǔ)能應(yīng)用普及。要提高電動(dòng)汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，鋰離子電池必須在重量和體積方面進(jìn)行優(yōu)化。因此，進(jìn)一步提高存儲(chǔ)容量可能是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵，而通過使用新材料對(duì)鋰離子電池和電容器性能進(jìn)行研究至關(guān)重要。

 

摻雜氮的碳質(zhì)材料是目前鋰電池和電容器的主要選擇，其中電子和離子轉(zhuǎn)移是電化學(xué)儲(chǔ)能的基本過程。然而由于碳質(zhì)材料是非極性的，且分子中的電荷均勻分布，因此帶電的鋰離子（Li+）很難粘附到材料上，盡管其不飽和結(jié)構(gòu)已提供合適的鍵合能。

 

因此，研究人員將碳納米纖維與鐵（Fe）結(jié)合在一起，以調(diào)節(jié)其表面化學(xué)性質(zhì)，從而促進(jìn)電子和離子轉(zhuǎn)移。通過使用靜電紡絲，研究人員生產(chǎn)出一系列含鐵的碳納米纖維樣品。然后，他們使用各種電化學(xué)測(cè)試方法評(píng)估了樣品的Li+存儲(chǔ)性能。掃描和透射電子顯微鏡顯示平滑纖維的3D互連網(wǎng)絡(luò)沒有鐵顆粒團(tuán)塊，這表明它們分散良好。

 

結(jié)果表明，添加原子Fe改變了碳材料的電子結(jié)構(gòu)，從而提高了導(dǎo)電性，同時(shí)降低了Li+的擴(kuò)散電阻。研究人員解釋說，電化學(xué)性能的提高主要是通過原子Fe的協(xié)同效應(yīng)和Fe-N鍵的形成，使Li+可以粘附更多的活性位點(diǎn)，因此鋰存儲(chǔ)性能得到改善。該全新陽極可支持5000次高電流密度循環(huán)，并提供持續(xù)的電力，同時(shí)提供高能量和大功率密度。其交錯(cuò)的纖維結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并提高了導(dǎo)電性。

 

研究人員稱使用碳納米纖維可以彌合基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用之間的差距。他們預(yù)計(jì)該新型材料可用于一系列儲(chǔ)能設(shè)備。Hu稱：“電紡碳納米纖維墊具有很高的柔韌性，這表明它們還有可能用于柔性和可穿戴的儲(chǔ)能裝置。”該碳納米纖維墊將用作電極。此外，研究人員表示還將探索使用其他單原子金屬鈉、鉀和鋅來增加電化學(xué)能量的存儲(chǔ)。