【引言】

自1991年索尼首次商業(yè)化以來，過自硅鋰離子電池（LIBs）由于其能量轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動循環(huán)壽命長，靜電能量密度高等特點成為了能量存儲領(lǐng)域的紡絲支柱，近年來對于鋰離子電池的系統(tǒng)研究方興未艾。然而，制備一直以來，鋰離大多數(shù)研究都集中在如何提高鋰離子電池本身的電池性能方面，如采取各種技術(shù)手段提高其容量、過自硅能量密度、驅(qū)動循環(huán)壽命等，靜電但是紡絲很少有人關(guān)注其制備過程中所消耗的能量。隨著電動汽車，系統(tǒng)柔性電子產(chǎn)品和航空航天設備領(lǐng)域不斷發(fā)展，制備LIBs在電極材料制備方面面臨著巨大挑戰(zhàn)。鋰離近年來，Si/C復合材料被認為是最有吸引力和最具前景的負極材料。因為硅具有很高的理論容量和Li嵌入/脫出的低電化學電位，而碳質(zhì)組分則可以改善材料的導電性，緩沖循環(huán)過程中Si的體積變化。Si/C復合材料的制備工作已經(jīng)取得了很大的進展，如水熱處理，化學氣相沉積（CVD），和鎂熱還原等，其中，靜電紡絲作為一種大批量快速生產(chǎn)均勻納米纖維的方法，在各種制備方法中脫穎而出。然而，由于極高的電壓需求（數(shù)萬甚至數(shù)十萬伏），靜電紡絲過程能耗極高，增加了纖維制造成本，因此，無論從靜電紡絲本身的發(fā)展和普遍化，還是從降低鋰離子電池電極材料制備能耗的方面出發(fā)，都需要為靜電紡絲系統(tǒng)開發(fā)一套新型的環(huán)保電源。

【成果簡介】

近日，清華大學徐盛明研究員課題組、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所曹霞教授和王中林院士課題組合作報道了一種基于自供電靜電紡絲系統(tǒng)的LIBs負極材料的節(jié)能制備方法。該系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機（r-TENG），倍壓整流電路和靜電紡絲單元組成，通過收集手柄旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能，r-TENG完全可以為靜電紡絲系統(tǒng)提供電能，無需任何外接電源，真正實現(xiàn)了系統(tǒng)的“自供能”。由該系統(tǒng)制備的Si@void@C納米纖維被用作LIBs負極材料時，具有優(yōu)異的循環(huán)性能，100次循環(huán)后放電容量為1045.2 mAhg^-1，容量保持率為88％，并且在高電流密度下具有優(yōu)異的倍率性能材料各項性能完全可與商業(yè)電訪設備制備的負極材料媲美。該研究從一個全新的角度出發(fā)，不僅降低了LIBs電極材料的制備成本，而且為所有應用纖維的領(lǐng)域降低了能耗。該論文第1作者為清華大學博士生韓宇，通訊作者為徐盛明研究員，曹霞教授和王中林院士為共同通訊作者，其相關(guān)研究成果“Si@void@C Nanofibers Fabricated Using a Self-Powered Electrospinning System for Lithium-Ion Batteries”為題發(fā)表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖1 r-TENG的結(jié)構(gòu)設計和表征

（a）r-TENG的示意圖

（b，c）r-TENG的照片

（d）制造的r-TENG的短路電流

（d）r-TENG的開路電壓

圖2 電紡絲系統(tǒng)的示意圖和實物照片

（a）倍壓整流電路的工作機理

（b）倍壓整流電路的照片;

（c）r-TENG通過整流橋?qū)﹄娙莩潆娗€（插圖：充電電路圖）

（d，e）自供電靜電紡絲系統(tǒng)的示意圖和實物照片

（d）在r-TENG旋轉(zhuǎn)之前和之后針頭的高速照片。

圖3 納米纖維的表征

（a，b）在碳化和蝕刻之前和之后的Si @ SiOx-PAN納米纖維的SEM圖像

（c）Si @ void @ C NFs的TEM圖像，示意圖

（d）HRTEM圖像

（e）Si@void@C NFs的EDS圖像

圖4 納米纖維的成分分析。

Si NPs, PAN-derived C NFs, Si@void@C NFs的 (a) XRD, (b) Raman, (c) TGA, (d) XPS及對應的 (e) Si 2p圖譜；(f) Si@void@C NFs 的Si 2p譜

圖5 納米纖維的電化學性質(zhì)

（a）CV曲線

（b）不同循環(huán)下Si @ void @ C NFs的充電/放電電壓曲線

Si NPs, PAN-derived C NFs, Si@void@C NFs的 (c) 循環(huán)和 (d) 倍率性能

（e）在不同電流密度下Si @ void @ C NFs的充電/放電電壓曲線

（f）Si @ void @ C NFs的阻抗譜

【小結(jié)】

本文介紹一種通過集成旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，倍壓整流電路和簡單的靜電紡絲設備來制造鋰離子電池電極材料的自供能制備方法。與直流電源提供高壓的傳統(tǒng)靜電紡絲工藝不同，這種自供能靜電紡絲系統(tǒng)完全由r-TENG驅(qū)動，無需任何外接電源。 通過收集手柄旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能，r-TENG可以輸出1.0 kV的交流電壓，將其通過倍壓和整流之后，輸出的直流電壓高達16 kV，完全可以驅(qū)動靜電紡絲系統(tǒng)制備納米纖維。當用作LIBs的負極材料時，由該系統(tǒng)制備的Si @ void @ CNFs顯示出良好的循環(huán)性能（100次循環(huán)后?1045.2 mA hg^-1）和優(yōu)異的倍率性能，，可完全替代商業(yè)電紡設備制備的纖維。由于其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，效率高，適應性好，這種自供能靜電紡絲系統(tǒng)不僅大大降低了LIBs生產(chǎn)行業(yè)的功耗，而且為依賴納米纖維的應用領(lǐng)域帶來了突破。?

文獻鏈接：Si@void@C Nanofibers Fabricated Using a Self-Powered Electrospinning System for Lithium-Ion Batteries(ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.8b01558)

本文由材料人編輯部學術(shù)組微觀世界編譯，感謝論文通訊作者徐盛明研究員修正供稿。

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