湖南大学唐杰Balogun|广州大学黄勇潮 Carbon Energy：柔性自支撑材料储锂化学解读

研究背景

柔性碳布纤维是开发柔性自支撑电极材料，特别是锂离子电池中活性材料的重要集流体材料。然而，柔性碳布纤维对于锂离子嵌入过程的储锂机制尚不明确，其对锂离子电池容量的贡献难以定量计算，影响了这一类基底材料在锂离子电池器件中的应用。为了解决这个问题，湖南大学Balogun课题组与广州大学黄勇潮课题组合作，在碳布纤维上利用涂敷、原位生长等多种方法制备了 Ni₅P₄ 纳米片（表示为 CFC@Ni₅P₄），并研究了不同制备方法对活性层与碳布集流体之间相互作用的影响。理论计算表明，由于 CFC 与 Ni₅P₄ 之间的强相互作用，降低了 Ni₅P₄ 的锂离子扩散能垒较低，从而获得优异的锂离子储存性能。该工作为柔性自支撑材料在锂离子电池器件中的应用提供了理论基础。相关工作以题为“Deciphering the lithium storage chemistry in flexiblecarbon fiber‐based self‐supportive electrodes”发表在Carbon Energy上。

本文亮点

1. 碳布纤维复合Ni₅P₄ 纳米片表现出优异的储锂性能。

2. 定量讨论碳布纤维在锂离子电池容量中的贡献。

3. 各种合成方法对碳布纤维与Ni₅P₄之间相互作用及锂离子传输动力学的影响研究。

图文解析

1．通过涂敷及水热等多种方法制备Ni₅P₄粉体及负载了Ni₅P₄的碳布纤维材料。利用SEM和TEM对材料的形貌及元素分布进行表征。

图1. 负载了Ni₅P₄纳米片的柔性碳布纤维。

2．通过XRD和XPS表征，证明Ni₅P₄活性层成功负载于碳布纤维表面。

图2. (A) XRD图、(B-F) XPS图。

3．对单独Ni₅P₄粉体及负载了Ni₅P₄的碳布纤维的储锂性能进行表征，发现碳布有助于储锂性能的提高。

图3. 活性物质粉体及其负载在碳布表面后的储锂性能表征。

4．通过多种合成手段在碳布纤维表面负载Ni₅P₄活性层，并利用SEM、XRD、XPS和Raman对其进行表征。

图4. 各种活性物质负载方法的碳布纤维样品物相形貌表征。

5．对由不同合成方法负载Ni₅P₄活性层的碳布纤维的储锂性能进行表征，发现水热原位生长Ni₅P₄活性层的碳布纤维相比于粉体涂敷活性层具有更好的储锂性能。

图5. 同一活性物质在不同负载方法下的储锂性能表征。

6．比较传统涂敷电极和原位生长电极表面活性层与碳布纤维之间的相互接触方式。原位生长活性层可以增加活性层与集流体之间的相互作用。

图6. 传统电极与一体化电极结构示意图。

7．密度泛函理论(DFT)方法研究了活性层负载方式对于其与碳布纤维之间的相互作用，进而探究这种相互作用对于储锂性能的影响。结果表面原位生长制备的活性层与碳布纤维之间具有更强的相互作用。这种相互作用有助锂离子传输动力学。

图7. 密度泛函理论模拟活性物质与碳布之间的相互作用。

文章总结

本文通过多种方法在碳布纤维表面生长Ni₅P₄ 纳米片活性层，并比较其储锂性能和碳布纤维在电极容量中的贡献。与传统上涂覆在铜箔 (CuF) 上的粉末 Ni₅P₄ 纳米片相比。在电流密度为 0.4 mA cm^-2 时，所制备的集流体复合的面积容量为 7.38 mAh cm^-2，明显高于 P-Ni₅P₄ 电极。通过理论计算模拟总结并归纳了不同负载方法对材料储锂性能的影响。本工作为柔性储能器件的设计及制备提供了理论和技术基础。

相关论文信息

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论文标题：

Deciphering the lithium storage chemistry in flexiblecarbon fiber‐based self‐supportive electrodes

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.173

DOI:10.1002/cey2.173

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