H2V3O8与碳纤维复合提升锌离子纤维正极的机械和电化学性能

研究简介

柔性纤维电池可集成到不规则空间，使传统结构也能储存能量。在保持电化学性能的同时提高机械强度，可显著拓展其应用潜力。本研究首次将H2V3O8与镀镍碳纤维复合，构建了用于锌离子纤维电池的复合纤维正极。该正极采用连续湿纺压制法制备，充分利用了芯材和活性材料各自的优势。镀镍碳纤维具有高导电性，可有效用作集流体，其优异的机械性能赋予纤维电极优异的柔韧性和高达361.9MPa的极限拉伸强度。由于碳纤维的可变形性和压制步骤，电极获得了矩形横截面，这有助于提高电化学性能。当将锌/碳纤维复合负极与水凝胶电解质组装成电池时，在3Ag-1的电流密度下，经过1500次循环后，其比容量可达138mAhg-1。这项工作证明了纤维电极的机械性能和电化学性能之间的平衡，支持了它们在结构储能应用方面的潜力。

图文导读

图1. 装置示意图。a）H2V3O8纳米线的合成过程。b）H2V3O8@Ni@CF//Zn纤维电池的制备过程。

图2. H2V3O8粉末的结构表征。a)SEM图。b)XRD图。c)拉曼光谱。d)XPS。e,f)V和O的高分辨率XPS。

图3.H2V3O8@Ni@CF的照片和结构表征。a)一卷H2V3O8@Ni@CF。b-d)柔韧性和承重能力：b)打结，c)负重，d)包裹。e)H2V3O8@Ni@CF的表面SEM图像。f-h)H2V3O8@Ni@CF的EDX映射。

图4. H2V3O8@Ni@CF横截面分析。a)横截面的SEM图。b,c)横截面的EDX映射。d,e)从正面和侧面拍摄的H2V3O8@Ni@CF的照片。f,g)具有圆形和矩形电极的纤维电池的电场强度模拟。

图5. H2V3O8@Ni@CF的电化学性能和储锌机理分析。a）1mVs−1时的CV曲线。b）3Ag−1下矩形和圆形H2V3O8@Ni@CF的循环稳定性。c）3Ag−1下矩形H2V3O8@Ni@CF的恒电流充放电（GCD）曲线。d）矩形H2V3O8@Ni@CF的倍率性能。e）不同电流密度下的GCD曲线。f）扫描速率为0.1至1.0mVs−1时的CV曲线。g）不同充放电状态下的非原位XRD图。h）5次循环后的相应GCD曲线。i）5次循环后的XPS。

图6.H2V3O8@Ni@CF的机械性能和H2V3O8@Ni@CF//Zn@Ni@CF纤维电池的电化学性能。a）H2V3O8@Ni@CF和Ni@CF的力-位移曲线。b）各种纤维电极的极限拉伸强度。c、d）不同c）弯曲角度和d）弯曲循环下3Ag-1时的容量保持率。e）由两个直(顶部)和弯曲（底部）纤维电池供电的LED的照片。f）H2V3O8@Ni@CF//Zn@Ni@CF纤维电池在3Ag-1下的循环稳定性。g）不同纤维电池的比容量与循环次数的关系。

研究结论

开发了一种适用于锌离子纤维电池的纤维正极，该正极以H2V3O8为活性材料（因其比容量高）和镀镍碳纤维（因其强度、柔韧性和导电性）为核心材料。这些材料的结合使纤维电极具有增强的电化学和机械性能。采用压制工艺，充分利用碳纤维的形状可变形性，优化纤维形状，从而提高比容量并保持长循环稳定性。在制备过程中，优先考虑效率和通用性。湿纺丝法实现了纤维的连续、简便且经济高效的制备，支持大规模生产。H2V3O8@Ni@CF纤维正极的极限拉伸强度达到361.9MPa，在3Ag-1电流密度下比容量达到225mAhg-1。当与Zn@Ni@CF纤维负极和PAM水凝胶电解质组装成CF集流体纤维电池时，该正极表现出良好的柔韧性和形状一致性。在3Ag−1的电流密度下，该电池经过1500次循环后仍保持138mAhg−1的比容量，表现出良好的电化学性能。本研究提出了一种集结构设计、材料合成和工艺工程于一体的策略，利用碳纤维的特性实现了电化学性能和机械性能之间的平衡。该研究成果将为柔性电子和结构储能技术的发展提供支持。