美国马里兰大学帕克分校胡良兵教授：用于酸性水系电池的碳纳米管-纤维素纳米纤维复合集流体
近日，美国马里兰大学帕克分校的胡良兵教授团队从脱色后的软木浆溶液出发，经过2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基（TEMPO）辅助氧化反应得到较粗的纤维素纤维，再将其压制后得到更细的纤维素纳米纤维（CNF），并与碳纳米管（CNT）复合，经真空抽滤得到CNT- CNF复合薄膜。该CNT-CNF薄膜全部由碳材料纤维组成，其厚度可以控制在10 μm以内，密度仅为1.12 g/cm3，直流电导率可高达704 S/cm，弹性模量高于60 MPa。在CNT-CNF复合结构中，主要由CNT提供导电通路，而CNF主要提供机械强度，并能提高CNT在CNF表面的分散性。将该CNT-CNF复合薄膜用于强酸性水系电池中的集流体，在高达1.7 V（相对于Ag/AgCl）和低至-0.5 V（相对于Ag/AgCl）的电位下呈现出优越的电化学稳定性。将该CNT-CNF薄膜在5 M硫酸溶液中浸泡4个月后，其形貌无明显变化，仍能保持高达575 S/cm的电导率。
与市售活性碳纸（ACC）集流体相比，该CNT-CNF复合集流体具有更高的电化学稳定性，能在水系电池体系中代替金属集流体和ACC集流体。经估算，该CNT-CNF复合薄膜的总成本仅为1.027 $/m2，远低于同等条件下金属集流体的成本。该研究成果以“Highly Conductive, Light Weight, Robust, Corrosion-Resistant, Scalable, All-Fiber Based Current Collectors for Aqueous Acidic Batteries”为题，发表在Adv. Energy Mater.上。
图1. CNT-CNF复合集流体的结构示意图
(a) CNT-CNF复合集流体的结构示意图。
(b) 在CNT-CNF复合集流体中，CNT提供导电通路，而CNF作为骨架并提供机械强度。
(c) CNF与CNT之间的相互作用使CNT-CNF复合物稳定分散在水溶液中，并为体系提供较高的机械强度。
图2. CNF和CNT-CNF在水溶液中的分散性及流变性测试
(a) CNF水溶液接近透明，能在长达6个月的时间内保持稳定的分散状态。
(b) CNF的AFM图像。
(c) CNT-CNF复合物的水溶液，其中CNT/CNF的质量比为6/1。
(d) 静置1个月的 CNT-CNF复合物水溶液仍保持稳定的分散状态。
(e) 静置不同时间后 CNT-CNF复合物水溶液的流变性能。
图3. 柔性CNT-CNF薄膜的制备过程及形貌表征
(a) 真空抽滤制备CNT-CNF薄膜。
(b) 经反复弯曲的CNT-CNF薄膜能恢复原貌，表明CNT-CNF薄膜具有优异的柔性。
(c-e) CNT-CNF薄膜的SEM (c) 俯视图；(d,e) 截面图。图(e)中黄色箭头指示的是SEM制样过程中由剪切力导致的织构。
图4. CNT-CNF薄膜的电学性能与力学性能测试
(a) 当CNT/CNF质量比分别为4/1、6/1、8/1时用四探针法测得的CNT-CNF薄膜的伏安曲线。
(b) 直流电导率随CNT/CNF质量比的变化情况。
(c) 当CNT/CNF质量比分别为4/1、5/1、6/1、7/1、8/1时CNT-CNF薄膜的应力-应变曲线。
(d) CNT-CNF薄膜的断裂强度和直流电导率随CNT/CNF质量比的变化情况。
图5. 本工作中CNT-CNF薄膜的厚度和电导率与文献值的对比
图6. CNT-CNF薄膜的电化学稳定性测试及其与ACC薄膜的对比
(a) T型电解池中的三电极体系。
(b) 将CNT-CNF薄膜和ACC薄膜在1.7 V（相对于Ag/AgCl）电位下加速氧化48 h后测得的循环伏安曲线。电解质溶液为5 M硫酸，扫描速度为0.5 mV/s。
(c) 经图(b)过程前后CNT-CNF薄膜和ACC薄膜的形貌图对比。
(d) 将CNT-CNF薄膜和ACC薄膜在-0.5 V（相对于Ag/AgCl）电位下加速还原0-48 h后测得的循环伏安曲线。电解质溶液为5 M硫酸，扫描速度为0.5 mV/s。
这项工作采取将不同种类的碳材料复合的策略，设计并制备了CNT-CNF复合薄膜，并将其用于强酸性水系电池中的集流体。该CNT-CNF薄膜具有高的电导率和机械强度，在强酸性电解液和有机电解液中均有较高的化学稳定性及电化学稳定性。作为一种典型的复合碳材料集流体，该CNT-CNF薄膜的性能超过了常规的金属集流体和活性碳纸集流体。这不仅有利于水系电池的发展和应用，还有望提高锂离子电池的安全性，为集流体的设计和筛选拓宽了思路。
论文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201702615/abstract
免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：info@polymer.cn
相关进展
马里兰大学胡良兵教授开发出一种3D打印织物，凉爽效果比棉织物高55%
关注高分子科学技术 👉
长按二维码关注
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。