高能量密度复合微纤维电极材料的构筑及其柔性储能器件应用

Flexible and wearable electronic devices have triggered immense interest throughout the world, with expectations to create high quality human life and valuable market returns. These devices need to be embedded with flexible power sources, being able to supply stable electric power and high energy density in repeated deformation or vibration situations. Although the graphene fiber as electrode materials has been successfully applied in flexible energy storage device, there is a growing technological demand for high energy density flexible lithium-ion batteries in wearable electronic device. In this proposal, we intend to prepare silicon/graphene porous microfiber electrode materials through a one-step co-reduction spinning technique and construct flexible energy storage device with high energy density. The prepared composites flexible electrode will improve the lithium-ion diffusion path based on the cross-linked porous structure in microfiber. The structure stability and electrochemical stability of the Si/graphene flexible electrode will be explored by the bend test. The stability of electrode will be studied to summarize the relationship between the structure of the composite microfibers and the stability of the flexible electrodes, so as to solve the problems, such as shapeable of electrode and low energy density of wearable energy storage devices. A flexible lithium-ion battery energy storage device is designed, and it will be regulated by voltage window, mass loading and charge/discharge test to achieve the high energy density device. The effective energy storage mechanism based on composite microfibers will be analyzed and laying a foundation for the subsequent development of high energy density wearable electrochemical energy storage devices.

随着便携电子设备的不断发展，可弯曲的穿戴电子设备得到越来越多的关注，传统的石墨类材料虽然具有良好的结构稳定性，但是保持电极的柔韧性同时兼顾高能量密度，成为柔性电池面临的主要挑战之一。本项目拟通过一步共还原纺丝技术制备硅/石墨烯多孔微纤维电极材料，并构建柔性锂离子电池储能器件。将根据柔性电极的弯曲测试，探讨硅与石墨烯之间的微观界面作用和相互协同作用，改善硅体积膨胀造成的电极结构耗损和内阻增加；基于交联多孔结构的微观调控，提高柔性电池锂离子和电子的扩散路径和扩散空间，研究复合微纤维的微观结构与柔性电极的结构稳定性和电化学稳定的关系，以解决可穿戴储能器件易耗损和低能量密度等问题。设计并构建柔性锂离子电池储能器件，分析基于复合微纤维的柔性储能器件的有效储能机制，为高能量密度的可穿戴电化学储能器件的后续发展奠定基础。

碳纤维柔性电极材料可应用于电子手表、手机等便携设备中，但是由于较低的能量密度限制了其在便携式储能器件中的实际应用。为解决以上问题，本项目提出了多孔结构、多级结构、高氮掺杂结构的高能量密度复合电极材料设计与研究。该复合纤维电极具有较高的电导率和稳定的多孔结构，可以均匀分散高能量密度活性材料（如硅颗粒、硫属化合物等）;同时卷绕的石墨烯纤维结构包裹硅颗粒，可以有效缓解硅颗粒在脱嵌锂过程中的体积膨胀，而纤维表面的多孔结构加速了锂离子快速扩散效率，从而得到结构稳定的电极。本项目通过表面修饰技术、包覆技术、冷冻干燥成型技术制备复合纤维电极；重点研究了复合纤维电极的力学强度、弯曲结构与电极电化学稳定性的关系，揭示了多孔结构尺寸与离子输运效率的构效关系，优化了复合纤维电极材料的制备方法；通过能谱元素分析、原位拉曼表征研究离子在电极的传输机制和规律，阐明复合纤维电极的储能机理，建立了新型电极材料在离子电池体系中的工作模型。（1）多孔石墨烯电极，在电流密度为5 A/g条件下，连续充放电1000次，多孔石墨烯凝胶电极的电容量依然保持在95%以上，具有稳定的电化学性能。（2）所制备的高氮掺杂碳纤维电极应用在离子电容器中，在 1 A/g电流密度下，3600次循环后电极比容量依然保持在190.2 mAh/g，平均每次循环容量仅衰减0.0238%。（3）所研发的Si-pGF复合电极，在环120次循环后，容量依然能够稳定在1000 mAh /g以上，表现出优异的循环稳定性和高能量密度性能。通过复合纤维结构改善了活性材料体积膨胀造成的电极结构耗损，同时增加了电极的使用使命和结构稳定性。本项目研究为高能量密度、长循环稳定的新型纤维电极材料奠定理论基础和实践指导。在本项目执行期间，参与博士后研究员1名，共培养硕士、博士研究生6名，发表SCI论文2篇，其中JCRQ1论文1篇，JCRQ2论文1篇，项目负责人获湖南省自然科学二等奖（第四完成人），获中国科协青年托举人才项目。