免费av大片在线看_日本久久东京热午夜_日韩欧美亚洲中文字幕国_大战刚结婚的少妇_亚洲AV成人综合网成人_91九色丨PORNY丨交换_成人动漫网站_欧美在线专区

  面對(duì)日益加劇的溫室效應(yīng)和化石燃料枯竭危機(jī)，鋰離子電池（LIBs）作為一種極具潛力的儲(chǔ)能方案受到廣泛關(guān)注。盡管科研人員已圍繞提升 LIBs 性能開展了大量研究，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化其快充性能、循環(huán)壽命和容量，以滿足電動(dòng)汽車與可穿戴電子設(shè)備的需求。負(fù)極材料的電化學(xué)性能是決定 LIBs 整體性能的關(guān)鍵因素，而商用石墨、硅、金屬氧化物等傳統(tǒng)負(fù)極材料已難以滿足當(dāng)前應(yīng)用需求 —— 在循環(huán)過程中，這些材料易出現(xiàn)固體電解質(zhì)界面（SEI）膜過厚、體積膨脹顯著、鋰枝晶生長等問題，導(dǎo)致電化學(xué)性能劣化。因此，開發(fā)高性能先進(jìn)負(fù)極材料迫在眉睫。

  鈮鈦氧化物（TiNb2O7，TNO）作為一種鈦鈮基氧化物，具有 1~3V 的高工作電位，可有效抑制鋰枝晶生長，顯著提升電池安全性；同時(shí)，其理論比容量高達(dá) 387 mAh/g，且循環(huán)穩(wěn)定性與倍率性能優(yōu)異，被視為 LIBs 最具潛力的負(fù)極材料之一。然而，與多數(shù)過渡金屬氧化物類似，TNO 因禁帶寬度較大，電導(dǎo)率較低，嚴(yán)重制約了其電化學(xué)性能的發(fā)揮。為充分挖掘 TNO 的電化學(xué)潛力，當(dāng)前改性研究主要圍繞提升其電導(dǎo)率展開，具體可分為 “內(nèi)改性” 與 “外構(gòu)建” 兩類策略：內(nèi)改性包括：1. 離子摻雜 - 在費(fèi)米能級(jí)處引入雜質(zhì)能級(jí)，縮小禁帶寬度；2. 引入大離子半徑異質(zhì)離子 - 擴(kuò)大晶格體積，加速 Li⁺擴(kuò)散；3. 構(gòu)建氧空位 - 降低 Li⁺擴(kuò)散能壘，提升電導(dǎo)率。外構(gòu)建則是在材料表面包覆導(dǎo)電碳層，形成核殼結(jié)構(gòu)。

  基于此，四川大學(xué)王延青特聘研究員課題組，在國際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上發(fā)表題為“Mono-dispersed ultra-long single-walled carbon nanotubes enable the tough, binder-Free, and self-supporting TiNb₂O₇ thick electrode for high-rate Li-ion battery”的研究論文。文章第一作者為四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生高凡，文章通訊作者為四川大學(xué)特聘研究員王延青。

  本研究為提高負(fù)極材料的導(dǎo)電性和電化學(xué)性能提供了一種有效方法。本研究通過簡單的溶劑熱法合成了 V³⁺摻雜介孔 TNO 微球，并以單分散單壁碳納米管（SWCNTs）同時(shí)作為 “導(dǎo)電劑”“粘結(jié)劑” 和 “集流體”，制備出具有活性的自支撐電極。V³⁺摻雜可顯著縮小 TNO 的禁帶寬度、擴(kuò)大晶格體積，既提升電導(dǎo)率，又加速 Li⁺擴(kuò)散；同時(shí)，離子摻雜還能增加氧空位含量，進(jìn)一步優(yōu)化 Li⁺擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)與倍率性能。碳納米管（CNTs）因比表面積大、易發(fā)生 π-π 堆積，普遍存在團(tuán)聚問題，難以形成有效導(dǎo)電通路。本研究通過分散劑分子對(duì) SWCNTs 進(jìn)行表面改性，利用分散劑的靜電排斥作用與空間位阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了 SWCNTs 的穩(wěn)定單分散（分散效率達(dá) 97%）。高分散性的 SWCNTs 在 TNO 微球表面形成具有力學(xué)強(qiáng)度的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，不僅顯著提升電導(dǎo)率，還可省去電化學(xué)惰性粘結(jié)劑；此外，單分散 SWCNTs 可替代集流體，實(shí)現(xiàn)自支撐負(fù)極的制備。綜上，本研究通過 “內(nèi)引入異質(zhì)離子與氧空位 + 外構(gòu)建 SWCNTs 三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)” 的協(xié)同策略，大幅提升了 TNO 的電導(dǎo)率，進(jìn)而優(yōu)化其電化學(xué)性能：無粘結(jié)劑電極在 0.5C、7C 倍率下的比容量分別為 302.55 mAh/g、257.34 mAh/g，在 5C 倍率下循環(huán) 2000 次后比容量仍達(dá) 243.99 mAh/g；自支撐電極在 0.5C、10C 倍率下的比容量分別為 246.14 mAh/g、166.48 mAh/g，在 2C 倍率下循環(huán) 200 次后比容量為 196.75 mAh/g；組裝的 LFP-SS//3V-SWCNT5-SS 全電池在 0.5C 倍率下循環(huán) 180 次后，比容量仍保持 115.36 mAh/g，在柔性儲(chǔ)能器件中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。本研究提出的 “單分散 SWCNTs 構(gòu)建三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以提升材料電導(dǎo)率” 的方法，以及制備的柔性自支撐電極，為可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展提供了新方向。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一：單壁碳納米管分散液的制備

圖1: a）SWCNTs 分散機(jī)制及電極制備過程示意圖；b-c）單分散 SWCNTs 與分散劑結(jié)合的透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；d）SWCNT 粉末及其分散液的拉曼光譜分析；e）紫外 - 可見（UV-vis）光譜數(shù)據(jù)；f）SWCNT 溶液的分散效率及分散效果；g）SWCNT 的高分辨 X 射線光電子能譜（XPS）C 1s 譜圖。

  碳納米管（CNTs）因比表面積大、易發(fā)生 π-π 堆積，普遍存在團(tuán)聚現(xiàn)象，難以形成有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，限制了其作為功能添加劑的應(yīng)用。傳統(tǒng)剪切或酸蝕刻法雖能一定程度分散 CNTs，但會(huì)破壞其高導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。本研究采用兩步法實(shí)現(xiàn) CNTs 的高效穩(wěn)定分散：首先，將 CNT 粉末加入 NMP 溶劑中，在研磨等外力作用下，團(tuán)聚的 CNT 團(tuán)簇分散為單根 CNT，但因自身結(jié)構(gòu)特性易再次團(tuán)聚；此時(shí)，分散劑分子擴(kuò)散至 CNTs 附近并吸附于其表面，通過調(diào)控分散劑與 CNTs 的比例，使分散劑分子以螺旋方式包裹 CNTs 表面，在保留 CNTs 高導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的同時(shí)，利用分散劑分子的偶極 - 偶極靜電作用與空間位阻效應(yīng)，抑制外界因素導(dǎo)致的 CNTs 團(tuán)聚，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定分散（圖 1a）。

  與多壁碳納米管（MWCNTs）相比，單壁碳納米管（SWCNTs）柔韌性更強(qiáng)、長徑比更大，更易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，且能賦予自支撐電極優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度，因此本研究選用 SWCNTs 作為導(dǎo)電劑。熱重分析表明，SWCNT 樣品純度達(dá) 98.61%；SEM 表征顯示了分散前 SWCNT 的微觀形貌（圖 S1）。將 SWCNT 分散液真空抽濾可獲得導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)膜，通過 SEM 與 TEM 對(duì)分散效果進(jìn)行表征：圖 1b 顯示，SWCNTs 表面包裹螺旋狀分散劑分子，實(shí)現(xiàn)了微觀尺度的單分散；宏觀上，改性后的 SWCNTs 在 NMP 中保持穩(wěn)定分散，真空抽濾后可形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（圖 1c）。拉曼光譜（圖 1d）顯示，SWCNT 粉末存在 D 峰（歸因于少量無定形碳或結(jié)構(gòu)缺陷）和強(qiáng) G 峰；而 SWCNT 分散液的 D 峰極弱，G 峰強(qiáng)度基本不變，表明分散后的 SWCNTs 結(jié)構(gòu)更有序，實(shí)現(xiàn)了單分散。通過紫外 - 可見吸收光譜進(jìn)一步評(píng)估 SWCNTs 的分散效果：將 SWCNT 粉末與分散液分別加入 NMP 溶劑中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.007% 的稀釋液，經(jīng) 10000 rpm 離心后，計(jì)算得二者分散效率分別為 64.4% 和 97.03%（圖 1e、f）。這一結(jié)果源于聚乙烯吡咯烷酮（PVP）與 SWCNTs 表面的纏結(jié)作用（提升 SWCNTs 在 NMP 中的溶解度，提供空間位阻），以及膽酸鈉（SC）中 SO??離子的靜電排斥作用，二者共同形成穩(wěn)定力，抑制 SWCNTs 團(tuán)聚。抽濾所得 SWCNT 膜的 XPS C 1s 譜圖（圖 1g）顯示，在 284.6 eV、285.8 eV、288 eV 和 289.5 eV 處分別出現(xiàn)對(duì)應(yīng) C=C 鍵、C-O/C-O-C 鍵、C=O 鍵和 O-C=O 鍵的特征峰，證明分散劑分子成功吸附于 SWCNTs 表面。此外，改性 SWCNTs 與 NMP 形成膠體溶液，呈現(xiàn)明顯的丁達(dá)爾效應(yīng)（圖 1e），進(jìn)一步證實(shí) SWCNTs 具有優(yōu)異的分散性。

要點(diǎn)二： P-SWCNTx 電極形貌、結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能

圖2: a-b）P-SWCNT₃ 電極的 SEM 圖像；c-d）各電極的 X 射線衍射（XRD）圖譜；e）P-SWCNT_x 電極的倍率性能；f）P-SWCNT_x 電極在 0.1C 倍率下的循環(huán)性能；g）P-SWCNT_x 電極在 2C 倍率下的循環(huán)性能；h）P-SWCNT₃ 電極的恒電流間歇滴定（GITT）曲線。

  如圖 2a-b 所示，當(dāng) SWCNT 粉末作為導(dǎo)電劑時(shí)，易發(fā)生團(tuán)聚形成膠束，無法構(gòu)建有效導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，電極實(shí)際導(dǎo)電效果接近無導(dǎo)電劑狀態(tài)；圖中多孔微球?yàn)楹铣傻?V-TNO。XRD 圖譜（圖 2c）顯示，合成的 V-TNO 所有衍射峰均與 Wadsley-Roth 型 TNO 相（JCPDS No. 39-1407）高度匹配，且未檢測到明顯的 TiO₂或 Nb₂O₅雜質(zhì)相，表明樣品純度較高。高分辨 XRD 圖譜（圖 2d）顯示，V³⁺摻雜使衍射峰向低角度偏移，表明 V-TNO 晶格體積增大 - 這是由于離子半徑更大的 V³⁺進(jìn)入 TNO 晶格，晶格膨脹拓寬了 Li⁺擴(kuò)散通道，從而提升 Li⁺擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。然而，導(dǎo)電劑與電化學(xué)惰性粘結(jié)劑的加入會(huì)顯著降低電池性能：隨著 SWCNT 粉末含量增加，電化學(xué)性能有所提升，但 SWCNTs 團(tuán)聚問題未解決，無法形成有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)導(dǎo)電劑含量為 3% 時(shí)，電池電化學(xué)性能最佳 - 此時(shí) SWCNTs 雖仍有團(tuán)聚，但在體系中分布較均勻，可形成次優(yōu)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；當(dāng) SWCNT 含量增至 5% 時(shí)，過量團(tuán)聚的 SWCNT 膠束形成更大聚集體（類似二次顆粒），破壞原有次優(yōu)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致導(dǎo)電通路減少。僅依靠 P-TNO 介孔微球結(jié)構(gòu)，性能最佳的 P-SWCNT3 電極在 0.5C、5C 倍率下的比容量分別為 228.86 mAh/g、156.76 mAh/g（圖 2e），在 2C 倍率下僅能穩(wěn)定循環(huán) 600 次，最終比容量為 167.71 mAh/g（圖 2g）。

要點(diǎn)三： P/V-SWCNTx-NMP 電極表征

圖3: 圖3 a-b）P-SWCNT₃-NMP的掃描電子顯微鏡圖；c - d）V-SWCNT₃-NMP的掃描電子顯微鏡圖；e）V - SWCNT3 - NMP的X射線光電子能譜高分辨率e）O 1s光譜；f）P - TNO和V - TNO的電子順磁共振光譜；g - h）P - SWCNT_x - NMP和V - SWCNT_x - NMP電極的倍率性能；i - j）P - SWCNT_x - NMP和V - SWCNT_x - NMP在0.1C下的循環(huán)性能；k - l）P-SWCNT_x-NMP and V-SWCNT_x-NMP電極的D_Li⁺；m）SWCNT₃-NMP and V-SWCNT_x-NMP的電化學(xué)阻抗譜擬合結(jié)果；n）PSWCNT₅ - NMP和V-SWCNT₅-NMP在5C下的循環(huán)性能。

  圖 3 展示了 P-SWCNT_x-NMP 與 3V-SWCNT_x-NMP 電極的表征與測試結(jié)果。SEM 圖像顯示，SWCNTs 形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，介孔微球狀 TNO 纏繞于網(wǎng)絡(luò)中，證實(shí) SWCNT 分散液實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定單分散，可作為有效導(dǎo)電劑（圖 3a-d）。兩類電極的唯一區(qū)別在于活性物質(zhì)（P-TNO 與 V³⁺摻雜 TNO）：V³⁺摻雜可有效拓寬 Li⁺擴(kuò)散通道、提升 Li⁺擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、縮小禁帶寬度。電子順磁共振（EPR）測試表明，V³⁺摻雜在 TNO 中引入大量氧空位（圖 3e-f）；氧空位含量增加使孤電子數(shù)量增多，既提升電導(dǎo)率，又降低 Li⁺擴(kuò)散能壘。

  電化學(xué)測試顯示，當(dāng) SWCNT 分散液添加量為 3% 時(shí)，電極性能最佳，表明該含量足以構(gòu)建高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；當(dāng) SWCNT 分散液添加量增至 5% 時(shí)，雖無明顯團(tuán)聚，但因 SWCNTs 不參與容量貢獻(xiàn)，電極質(zhì)量比容量有所下降（圖 3g-j）。V-SWCNT₃-NMP 電極性能優(yōu)于 P-SWCNT₃-NMP：在 0.5C、7C 倍率下，V-SWCNT₃-NMP 的比容量分別為 265.13 mAh/g、221.41 mAh/g（P-SWCNT₃-NMP 為 246.53 mAh/g、189.59 mAh/g）；在 5C 倍率下循環(huán) 2000 次后，V-SWCNT₃-NMP 的比容量仍達(dá) 210.99 mAh/g（P-SWCNT₃-NMP 為 185.77 mAh/g）（圖 3g-h、n 及圖 S4e-f）。

要點(diǎn)四：無粘結(jié)劑電極制備、形貌與性能

  電池性能受活性材料本征特性與電極結(jié)構(gòu)的共同影響。傳統(tǒng)電極制備中，需使用聚偏氟乙烯（PVDF）粘結(jié)劑將活性材料、導(dǎo)電劑與集流體粘結(jié)，但電化學(xué)惰性的 PVDF 不僅會(huì)阻礙電子遷移（降低電導(dǎo)率），還會(huì)增加電極質(zhì)量（降低能量密度），因此無粘結(jié)劑電極的研究備受關(guān)注。本研究利用 SWCNTs 優(yōu)異的力學(xué)性能與高效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備了無粘結(jié)劑電極（命名為 V-SWCNT_x-BF）（圖 3a）。V-SWCNT_x-BF 電極省去電化學(xué)惰性粘結(jié)劑，顯著提升電子與電荷傳輸效率。

  圖 4b-c 顯示，SWCNTs 保持穩(wěn)定單分散，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，且相互連接形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，V-TNO 介孔微球通過物理纏繞嵌入網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)一步提升電導(dǎo)率。SWCNTs 的優(yōu)異力學(xué)性能為三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提供了足夠的機(jī)械強(qiáng)度，確保無粘結(jié)劑狀態(tài)下電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

  去除 PVDF 粘結(jié)劑后，所有 V-SWCNT_x-BF 負(fù)極的比容量均顯著提升，其中 V-SWCNT₅-BF 電極的比容量最接近 TNO 的理論值，在 0.5C 倍率下達(dá) 306.17 mAh/g（圖 4e 及表 S3）。V-SWCNT₅-BF 電極在 0.5C、1C、2C、3C、5C、7C 倍率下的比容量分別為 302.55 mAh/g、289.4 mAh/g、285.91 mAh/g、281.33 mAh/g、274.53 mAh/g、257.34 mAh/g（圖 4d） - 粘結(jié)劑的去除減少了電極中電絕緣材料的覆蓋，大幅提升電子轉(zhuǎn)移效率與電化學(xué)反應(yīng)速率。在 5C 倍率下循環(huán) 2000 次后，該電極比容量仍保持 243.99 mAh/g，容量損失僅 11.2%（圖 4f），這歸因于 SWCNT 網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)性能可抑制 TNO 在循環(huán)過程中的體積變化。

  圖 4f 顯示，當(dāng) SWCNT 分散液添加量僅為 0.5 wt% 時(shí)，電極在 5C 倍率下容量衰減顯著 - 這是由于無粘結(jié)劑時(shí)，稀疏的 SWCNTs 無法維持電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；隨著 SWCNT 含量增加，循環(huán)穩(wěn)定性逐步提升，表明適量 SWCNTs 可提供充足的機(jī)械強(qiáng)度。此外，該負(fù)極漿料僅去除粘結(jié)劑，其余組分添加量與其他系列電極一致，既增加了 TNO 與 SWCNTs 的接觸面積，又減少了因粘結(jié)劑導(dǎo)致的 SWCNT 輕微團(tuán)聚，因此電極電化學(xué)性能隨 SWCNT 含量增加而提升。

  通過 GITT 測試分析 Li⁺擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)（圖 4h 及圖 S6），結(jié)果顯示，隨 SWCNT 含量增加及三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成，Li⁺擴(kuò)散系數(shù)（D _Li⁺）顯著提升。采用 EIS 評(píng)估無粘結(jié)劑狀態(tài)下電極的電荷傳輸速率與離子擴(kuò)散能力：當(dāng) SWCNT 含量≥1 wt% 時(shí)，各電極的 R_ct 均小于相同 SWCNT 添加量的前期電極（表 S5），其中 V-SWCNT₃-BF 與 V-SWCNT₅-BF 電極的 Rct 分別為 27.19 Ω、22.96 Ω（圖 4g）。這一顯著提升源于更高效、更密集的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以及無電化學(xué)惰性粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)，二者共同加速了電子與離子的傳輸速率。

要點(diǎn)五：自支撐電極結(jié)構(gòu)、形貌、力學(xué)及電化學(xué)性能

  傳統(tǒng)電極采用金屬集流體，不僅會(huì)降低電池的質(zhì)量比容量與電荷轉(zhuǎn)移速率，還可能在機(jī)械彎曲場景（如柔性可穿戴電子設(shè)備）中引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)高容量、經(jīng)濟(jì)可行的無粘結(jié)劑柔性自支撐電極具有重要意義。本研究將負(fù)極材料與 NMP 溶劑混合后，通過真空抽濾制備出厚度 > 11 mg/cm² 的厚電極，所得自支撐負(fù)極的微觀形貌與化學(xué)組成通過 SEM 與 EDX 表征：在抽濾作用下，單分散 SWCNTs 仍保持高度分散狀態(tài)（無明顯團(tuán)聚），形成三維蛛網(wǎng)式導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，且緊密纏繞在 TNO 微球表面（圖 5d）；高倍 TEM 圖像清晰顯示單根 SWCNTs 與 TNO 的粘附狀態(tài)（圖 5c）。EDX 分析中，C 元素分布與 SEM 圖像高度吻合，表明 SWCNTs 形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)緊密包裹 TNO 微球（圖 S7）；根據(jù) TiNb₂O₇（TNO）的分子式，Ti 與 Nb 的原子比為 1:2，因此 EDX 中 Nb 信號(hào)強(qiáng)于 Ti 信號(hào)；由于 SWCNT 網(wǎng)絡(luò)對(duì) TNO 的緊密包裹，Ti 與 Nb 信號(hào)較弱，但二者分布一致，證實(shí) TNO 合成成功（圖 5e）。

  為評(píng)估自支撐負(fù)極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其在可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用潛力，對(duì)其柔性與力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)測試：圖 5f 顯示，自支撐負(fù)極具有優(yōu)異的柔性，可實(shí)現(xiàn)不同程度的折疊與卷曲，并能恢復(fù)初始形狀，還可加工成紙飛機(jī)、紙鶴等多種形態(tài)；拉伸測試表明，V-SWCNT₅-SS 自支撐電極的力學(xué)性能優(yōu)異，至少可承受 2.17 MPa 的應(yīng)力與 3.36% 的應(yīng)變（圖 5g-h），表明該電極在電解液環(huán)境中受壓時(shí)仍能保持良好結(jié)構(gòu)。

  自支撐負(fù)極的電化學(xué)性能測試結(jié)果顯示：V-SWCNT₅-SS 電極在 0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C 倍率下的比容量分別為 246.14 mAh/g、239.47 mAh/g、228.24 mAh/g、209.82 mAh/g、189.75 mAh/g、166.48 mAh/g，在 0.5C 倍率下循環(huán) 100 次后比容量為 224.68 mAh/g（圖 5i-j）；該半電池負(fù)極在 2C 倍率下循環(huán) 200 次后，比容量仍保持 196.75 mAh/g（容量保持率 77.8%）（圖 5m）。值得注意的是，當(dāng) SWCNT 含量增至 10 wt% 時(shí)，電極的循環(huán)穩(wěn)定性與質(zhì)量比容量較 V-SWCNT₅-SS 顯著下降，這是由于 SWCNTs 不參與儲(chǔ)能，過量添加會(huì)導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)脆化。

  為進(jìn)一步探索自支撐負(fù)極的應(yīng)用潛力，制備了厚度分別為 19.9 mg/cm²、39.8 mg/cm²、59.7 mg/cm² 的電極，并測試其倍率與循環(huán)性能（圖 S9）：結(jié)果顯示，過厚的自支撐電極性能較差，僅 19.9 mg/cm² 的電極表現(xiàn)出中等電化學(xué)性能。相反，EIS 與 GITT 結(jié)果表明，無粘結(jié)劑、無金屬集流體的自支撐電極具有更快的電荷轉(zhuǎn)移速率（R_ct=20.85 Ω）與顯著提升的 Li⁺擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)（圖 5k-l 及圖 S10）。

要點(diǎn)六：不同電極的儲(chǔ)能機(jī)制研究

  圖 6a 與圖 S18 分別為 V-SWCNT₅-SS 與 V-SWCNT₅-BF 電極的原位 XRD 結(jié)果：無粘結(jié)劑自支撐電極的儲(chǔ)鋰過程為 Li?在 TNO 晶格間隙與空位中的放電嵌入 / 充電脫嵌；V-SWCNT₅-SS 電極的 (-1,0,1) 衍射峰在充放電后恢復(fù)至初始位置，表明三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提升了循環(huán)穩(wěn)定性。通過紫外 - 可見吸收光譜計(jì)算各電極的禁帶寬度（圖 6b-c）：與 P-SWCNT₃ 電極相比，采用 SWCNT 分散液構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電極禁帶寬度顯著降低。對(duì)比 V-SWCNT₅-BF、V-SWCNT--NMP 與 P-SWCNT₃-NMP 電極可知：1. V3?摻雜在費(fèi)米能級(jí)處引入雜質(zhì)能級(jí)，縮小了價(jià)帶與導(dǎo)帶間的能隙；2. 氧空位的引入增加了孤電子數(shù)量；3. 無粘結(jié)劑設(shè)計(jì)提升了電荷與離子傳輸速率。最終，無金屬集流體的自支撐電極通過三維蛛網(wǎng)式導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步提升了 TNO 的電導(dǎo)率，使禁帶寬度大幅降低。

要點(diǎn)七：全電池性能分析

圖 7 a）LFP-SS//3V-SWCNT₅-SS 全電池在不同掃描速率下的 CV 曲線；b）LFP-SS、P-SWCNT₃-NMP、3V-SWCNT₃-NMP、3V-SWCNT₅-BF、3V-SWCNT₅-SS 電極的恒流充放電曲線；c）LFP-SS//P-SWCNT₃-NMP、LFP-SS//3V-SWCNT₃-NMP、LFP-SS//3V-SWCNT5-BF 全電池的倍率與循環(huán)性能；d）3V-SWCNT₅-SS 電極的恒流充放電曲線；e）LFP-SS//3V-SWCNT₅-SS 全電池的倍率與循環(huán)性能

  為探索無粘結(jié)劑自支撐電極的應(yīng)用前景，本研究以商用磷酸鐵鋰（LFP）為正極，組裝全電池。由于自支撐負(fù)極厚度 > 11 mg/cm²，需采用相同方法制備自支撐正極以滿足 N/P 比 = 0.95，最終形成 LFP-SS//3V-SWCNT₅-SS 全電池。圖 7b 為該全電池在 0.2~0.8 mV/s 掃描速率下的 CV 曲線，顯示三對(duì)氧化還原峰；同時(shí)測試了各電極的恒流充放電曲線：半電池中，LFP-SS 正極的工作電壓范圍為 2.0~4.0 V，3V-SWCNT₅-SS 負(fù)極的工作電壓范圍為 1.0~3.0 V（圖 7b-d）。

  在所有全電池中，LFP-SS//3V-SWCNT₅-BF 全電池表現(xiàn)出最佳的倍率性能與循環(huán)穩(wěn)定性：在 0.3C、0.5C、1C、3C、5C、10C 倍率下的比容量分別為 259.52 mAh/g、226.52 mAh/g、207.91 mAh/g、191.89 mAh/g、168.82 mAh/g、121.94 mAh/g，在 1C 倍率下循環(huán) 170 次后比容量仍達(dá) 135.48 mAh/g（圖 7c），凸顯了無粘結(jié)劑 TNO 負(fù)極的應(yīng)用潛力。自支撐 LFP-SS//3V-SWCNT₅-SS 全電池在 0.3C、0.5C、1C 倍率下的比容量分別為 253.69 mAh/g、154.24 mAh/g、113.27 mAh/g，在 0.5C 倍率下循環(huán) 185 次后比容量仍保持 115.36 mAh/g（圖 7e），在柔性可穿戴電子設(shè)備中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用價(jià)值。

  文章鏈接

  Mono-Dispersed Ultra-Long Single-Walled Carbon Nanotubes Enable the Tough, Binder-Free, and Self-Supporting TiNb₂O₇ Thick Electrode for High-Rate Li-Ion Battery

  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.5c06097

通訊作者簡介

  王延青特聘研究員簡介：四川大學(xué)特聘研究員，博導(dǎo)，四川省青年人才，國家制革技術(shù)研究推廣中心特聘專家，四川省專家服務(wù)團(tuán)專家。入選四川大學(xué)“雙百人才工程”計(jì)劃（2019-2023），日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）外國人特別研究員（2015-2017）。2010年碩士畢業(yè)后去日本留學(xué)，于2014年獲日本北海道大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位，畢業(yè)后在北海道大學(xué)、東京大學(xué)及日本企業(yè)（日本トリム）從事納米碳材料的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。在日本期間，主持日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）青年學(xué)者項(xiàng)目。

  2019年加入四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院高材系獨(dú)立開展研究工作，成立先進(jìn)碳與能源材料應(yīng)用研究室。主要從事超長碳納米管的單分散原理、碳基材料的設(shè)計(jì)制備及其在能源、環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，主要包括：超長碳納米管在非/弱極性有機(jī)體系的分散研究、新型低添加、高倍率快充鋰電池導(dǎo)電劑、低溫鋰電池負(fù)極、鈉電池硬碳負(fù)極、電磁屏蔽/吸波材料、超級(jí)電容器、碳基導(dǎo)熱/散熱材料、柔性顯示材料、先進(jìn)高分子功能材料等，作為第一作者或通訊作者在Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Energy、Research、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Small、Journal of Power Sources、Carbon、Nanoscale等期刊上發(fā)表80篇論文，累計(jì)引用2500余次。部分成果選為ESI高被引論文（3篇）和期刊封面文章

  回國后主持國家自然科學(xué)基金委NSAF聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目課題、人社部中國留學(xué)人員回國創(chuàng)業(yè)啟動(dòng)支持計(jì)劃（重點(diǎn)類）、四川省科技廳國際科技創(chuàng)新合作項(xiàng)目、四川大學(xué)高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目、校地合作項(xiàng)目（自貢、遂寧）、企業(yè)項(xiàng)目等近10項(xiàng)。申請(qǐng)、授權(quán)中國發(fā)明專利30余項(xiàng)、美國專利2項(xiàng)、日本專利2項(xiàng)。研究成果獲得了山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金、中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)（2項(xiàng)）、山東省專利獎(jiǎng)、第二屆全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎(jiǎng)、四川省特聘專家、JSPS外國青年學(xué)者研究獎(jiǎng)勵(lì)、北海道大學(xué)私費(fèi)外國人留學(xué)生特待制度、四川大學(xué)優(yōu)秀科技人才獎(jiǎng)，入選四川省天府峨眉計(jì)劃創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才、蓉漂計(jì)劃、江蘇省雙創(chuàng)人才、鹽都特聘專家等。2024-2025年受邀在江蘇省常州市新北區(qū)科技局掛職副局長。

  課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/wangyanqing