南京大学姚亚刚教授团队《Energy Storage Mater.》：面向高性能柔性水系可充电Ni//Bi电池

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近日，南京大学姚亚刚教授，南京工业大学李秋龙教授，徐州工程学院巩文斌副教授在构建高性能柔性可穿戴水系Ni//Bi电池方面取得重要进展，通过设计分层核壳异质结构电极材料，为开发高性能水系可充电电池提供了一种有效的策略。相关成果以“Towards ultrahigh-energy-density flexible aqueous rechargeable Ni//Bi batteries: Free-standing hierarchical nanowire arrays core-shell heterostructures system”为题发表在国际知名期刊《储能材料》（Energy Storage Materials, 42 (2021) 815-825）上。南京工业大学李秋龙教授为论文的第一作者兼通讯作者。此研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等资助支持。

一、研究背景： 

随着对织物类可穿戴电子产品需求的不断增加，发展耐磨性、高柔性和优异可编织性的纤维状电化学储能器件是满足各种可穿戴电子产品能耗的最有效的解决方案。纤维状储能器件是一种新兴的可穿戴电子设备的能量供应和存储装置，以其重量轻、体积小、柔性好、可织性好等内在优点而受到广泛关注。然而，尽管纤维状超级电容器具有高功率密度、良好的循环稳定性和快速充放电能力，但其输出电压不稳定和能量密度较低，严重阻碍了其在可穿戴设备上的应用。水系可充电电池的选择是获得具有超高能量密度和稳定放电平台的一种有效策略。Ni//Bi电池由于其高安全性，高离子导电性，无金属枝晶形成，无污染，成本低而成为主要的选择。显然，电极材料的整体电化学性能在高性能Ni//Bi电池的发展中起着至关重要的作用。因此，对用于纤维状的水系可充电Ni//Bi电池的高容量和高倍率电极材料有相当大的需求。新型核壳异质结构电极材料的研究为进一步深入研究Ni//Bi电池奠定了基础。因此，开发高载量，高容量和高倍率的正负极材料是发展高性能Ni//Bi电池的关键。

二、研究工作简单介绍

近日，南京工业大学李秋龙设计了具有分层核壳异质结构的正负极材料（Zn-CoNiO₂@Ni(OH)₂和TiN@Bi₂O₃纳米线阵列正负极材料）并直接生长在高导电碳纳米管纤维表面，组装了一种超高能量密度和超稳定放电电压平台的纤维状Ni//Bi电池。因此，选择高导电性的核和高容量的壳层活性材料是发展该电池的关键因素。通过实验和理论计算证明Zn掺杂CoNiO₂显著提高了其导电性（Zn替换Co或者Ni均提高导电性），与此同时，金属氮化物TiN也具有非常高的导电性，将它们作为核材料能够促进电子的快速传输，实现电极材料的快速氧化还原反应，并通过非原位XPS谱图探究了该电池的正负极材料电化学反应机理。此外，理论计算进一步证明核壳材料的界面处发生了显著的电荷转移，从而改变了壳层材料的电学特性，进一步提高其导电性。基于核壳材料的高导电性、高容量以及协同作用，使得正负电极展现了超高的比容量和优异的倍率性能。制备的Ni//Bi电池具有一个0.94 mAh cm^-2的超高容量以及314.96 mWh cm^-3的超高能量密度。此外，该电池在经过5000次循环后，容量仍能保持88.6%，表现出杰出的循环稳定性。另外，该器件的不同弯曲程度和串并联的电化学性能结果表明其具有优异的机械柔性以及稳定性。通过核材料的设计和分层核壳异质结构的构建，成功发展了高性能的纤维状水系可充电Ni//Bi电池。该电池的发展为高能量密度、安全、低成本的可穿戴储能技术提供了新的机遇。

三、图文解析

图1 密度泛函理论计算结果

图2 纤维状水系可充电Ni//Bi电池制备流程示意图

图3 负极材料TiN@Bi₂O₃纳米线阵列分层核壳异质结构的形貌表征与化学成分分析

图4 正极材料Zn-CoNiO₂@Ni(OH)₂纳米线阵列分层核壳异质结构的形貌表征与化学成分分析

图5 TiN@Bi₂O₃/CNTF负极和Zn-CoNiO₂@Ni(OH)₂/CNTF正极的电化学性能

图6 全固态纤维状水系可充电Ni//Bi电池的电化学性能

作者简介

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李秋龙教授简介：李秋龙，南京工业大学材料科学与工程学院教授。2016.06博士毕业于中科院合肥物质科学研究院，2016.07-2018.11在中科院苏州纳米所从事博士后研究，2018.12-2019.08在南京大学任特任副研究员，2019.09-2020.09在新加坡国立大学进行博士后研究。主要在可穿戴水系储能器件，聚合物基纳米复合材料和电磁屏蔽材料等方面的研究。以第一作者或通讯作者在Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Letters、Energy Storage Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A、Carbon、Nano Research, ACS Applied Materials & Interfaces、Composites Part A、Science Bulletin、Electrochimica Acta等国际期刊上发表论文20余篇。

姚亚刚教授简介：姚亚刚，南京大学现代工程与应用科学学院教授。2004年7月毕业于兰州大学化学化工学院，同年保送至北京大学化学与分子工程学院硕博连读，2009年7月博士毕业后到美国乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）进行博士后研究，2014年起任中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，2018年任职于南京大学现代工程与应用科学学院。一直从事低维材料的控制合成及其在柔性储能器件和热管理中的应用研究，在高导热界面材料的设计与控制制备以及柔性储能器件与集成等方面取得了系统成果。曾获国家自然科学基金委优秀青年科学基金、中组部“青年千人”、全国百篇优秀博士学位论文。在Nature Materials、Advanced Materials、Nano letters、Journal of the American Chemical Society、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Advanced Science、ACS Energy Letters、Energy Storage Materials等学术期刊上发表论文100多篇。

文献链接：Towards ultrahigh-energy-density flexible aqueous rechargeable Ni//Bi batteries: Free-standing hierarchical nanowire arrays core-shell heterostructures system, Energy Storage Materials, 42 (2021) 815-825. 

相关链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721004025

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