【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(dòng)循環(huán)壽命長(zhǎng)，靜電能量密度高等特點(diǎn)成為了能量存儲(chǔ)領(lǐng)域的紡絲支柱，近年來對(duì)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(dòng)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(dòng)汽車，系統(tǒng)柔性電子產(chǎn)品和航空航天設(shè)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(fù)合材料被認(rèn)為是最有吸引力和最具前景的負(fù)極材料。因?yàn)楣杈哂泻芨叩睦碚撊萘亢蚅i嵌入/脫出的低電化學(xué)電位，而碳質(zhì)組分則可以改善材料的導(dǎo)電性，緩沖循環(huán)過程中Si的體積變化。Si/C復(fù)合材料的制備工作已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，如水熱處理，化學(xué)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(jiǎn)介】

近日，清華大學(xué)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(bào)道了一種基于自供電靜電紡絲系統(tǒng)的LIBs負(fù)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(jī)（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(dòng)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(shí)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(fù)極材料時(shí)，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(xiàng)性能完全可與商業(yè)電訪設(shè)備制備的負(fù)極材料媲美。該研究從一個(gè)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(yīng)用纖維的領(lǐng)域降低了能耗。該論文第1作者為清華大學(xué)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(dǎo)讀】

圖1 r-TENG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)物照片

（a）倍壓整流電路的工作機(jī)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(shí)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(duì)應(yīng)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(xué)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(jī)，倍壓整流電路和簡(jiǎn)單的靜電紡絲設(shè)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(dòng)，無需任何外接電源。 通過收集手柄旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)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(dá)16 kV，完全可以驅(qū)動(dòng)靜電紡絲系統(tǒng)制備納米纖維。當(dāng)用作LIBs的負(fù)極材料時(shí)，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(shè)備制備的纖維。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，效率高，適應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域帶來了突破。?

文獻(xiàn)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(xué)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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