基于离子交换技术高稳定性自支撑柔性电极的构筑及其锂离子电池性能研究

With the development of wearable, bendable and flexible electronic devices, flexible Li-ion battery will be attracted much more attention for satisfying various application areas. The electrodes of high-performance flexible Li-ion battery should not only have flexible characteristic, but also have high mechanical and electrochemistry stabilities. This project proposes an ion-exchange reaction, transformation of carbon coated magnesium oxide in the flexible carbon nanotube support to transition metal oxides or transition metal chalcogenides, to prepare self-supported flexible electrode. On the one hand, the activate materials are confined into the carbon nanocage, which can avoid the transition compounds falling from the self-supported current collector under strong external force, and improving the mechanical stability of flexible electrodes. On the other hand, the activate materials are encapsulated by carbon nanocage, which also can avoid pulverization and falling from the support during electrochemical process, and thus enhancing the electrochemical stability of flexible electrode. This investigation can offer important reference for developing high stable flexible self-supported electrode, and promoting the development and application of new generation flexible energy storage devices.

随着可穿戴、可弯曲、柔性电子产品的发展，与之匹配的柔性锂离子电池得到越来越广泛的关注和研究，其中柔性电极是柔性锂离子电池的关键部分之一，高性能柔性电极除了需要具有柔性特征，还需要具有较强的机械和电化学稳定性。本项目拟在柔性碳纳米管支撑体中引入与之紧密接触的碳包覆氧化镁，然后通过离子交换技术将氧化镁转变成过渡金属氧（硫）化物，制备出柔性自支撑结构电极材料。该自支撑柔性电极中的活性物质被限制在“碳笼”中，一方面，可避免在强的外力作用下发生脱落，从而增强柔性电极的机械稳定性；另一方面，可避免在电化学过程中活性物质粉化脱落，从而提升柔性电极的电化学稳定性。本项研究工作将为设计并制备高稳定性的自支撑柔性电极材料提供理论和实验依据，促进新一代柔性储能器件的发展和应用。

锂离子电池因具有良好的循环稳定性和较长的使用寿命等优点，成为各类产品的主要电源。为满足电子产品柔性化需求，开发高能量密度的柔性锂离子电池成为亟待解决的问题，而作为其关键材料之一的柔性电极对其性能发挥具有很大影响。本研究采用离子交换技术，以MgO为离子交换前体，通过在柔性碳布表面电沉积Mg(OH)2阵列，然后进行碳包覆、高温碳化处理得到C@MgO，最后进行阳离子交换及低温脱水得到碳包覆过渡金属氧化物自支撑柔性电极材料。该方法有效避免了传统过渡金属氧化物在碳包覆过程中发生碳热还原问题发生。由于碳包覆作用，使得柔性电极具有较高的机械稳定性和化学稳定性。通过对柔性电极储锂性能研究，阐明了柔性电极结构与电化学性能之间的构效关系。另外，通过控制离子交换时间，可以制备掺杂型电极材料，改善电极材料的导电性和稳定性。在柔性骨架研究基础上，我们将研究进一步拓展到基于三维骨架构造复合锂金属负极的研究，已解决金属锂沉积过程中的稳定性问题，为更高能量密度的柔性锂金属电池提供研究思路。本项目为构造具有高稳定性和高能量密度的柔性电极提供新的途径和依据，对实现柔性储能技术的发展具有重要意义。