SSB蓄电池面向高性能钒基锌离子柔性电池的碳纤维复合电极优化策略2研究亮点5-based zinc-ion flexible batteries

2026-04-15 20:52:53

在集成化锌离子结构电池中，碳纤维（CF）复合电极的设计与制备面临重大挑战，这主要归因于碳纤维与传统金属箔相比导电性较差，从而限制了其作为集流体的应用。本研究首次采用镀银碳纤维作为锌离子柔性电池双极集流体，成功制备出兼具优异机械强度与显著储能性能的电极体系。针对正极材料，采用商业化钒₂该材料被镀覆于镀银碳纤维表面，充分发挥钒氧化物的电化学优势，实现320 mAh g-1的高比容量₅且在2 A g-1电流密度下循环1500次后仍保持87%的容量⁻¹。阳极侧采用电沉积工艺在碳纤维上负载锌金属，其中银镀层有效提升沉积效率并形成均匀包覆层。本研究展示了一种碳纤维复合电极的优化策略，这对结构型储能器件与柔性电子设备应用具有潜在价值。⁻¹. On the anode, zinc is electrodeposited onto the CFs, where the silver layer improves deposition efficiency and yields a homogeneous coating. This work demonstrates an optimization strategy for CF composite electrodes, which holds potential value for structural energy storage and flexible electronic device applications.

图形摘要

引言

锌离子电池在结构性能量存储与柔性器件领域展现出极具前景的应用潜力[1,2]。首先，锌离子电池具备高理论容量（820 mAh g⁻¹其次，与锂离子电池常用的对水分高度敏感的有机电解液相比，锌离子电池通常采用酸性水溶液电解液，如ZnTFSI、氯化锌或硫酸锌溶液[3,4]。这些电解液能有效抑制锌枝晶生长，并提供更高的安全性。因此，锌离子电池的制造过程无需隔绝氧气和水分[5]，甚至可在空气中运行[6]。其低毒性与高安全性显著降低了电池破损时的危害程度。最后，锌离子电池具有成本低廉和锌储量丰富的优势[7,8]。其阳极通常采用金属锌，阴极活性材料则多使用钒氧化物[9]、锰氧化物[10]及普鲁士蓝类似物[11]。五氧化二钒（V₂) 具有589 mAh g-1的高理论容量₅，这归因于钒的Multi氧化还原态及其氧化物层间开放的离子扩散通道。这些特性使该化合物成为一种极具前景的正极材料[12]。⁻¹, which is attributed to the multiple redox states of vanadium and the open channels for ion diffusion between its oxide layers. Such properties make this compound a promising cathode material [12].
根据碳纤维（CF）与电池的复合方式，结构电池可分为嵌入式与整体式两类[[13], [14], [15]]。前者主要采用夹层结构设计，外层由CF增强聚合物构成，主要承担读档功能；二次电池组件则嵌入内部复合面板中[16,17]。由于电池替代了部分结构部件，整个复合材料获得多性向功能，但其减重效果有限。第二类方案不仅将碳纤维（CFs）作为读档组件整合，还将其应用于电池内部作为电极材料[18,19]。这种一体化设计能有效减轻质量与体积。由于读档部件与储能部件之间不存在明显界面，可避免应力作用下的分层现象[[20], [21], [22]]。
因此，CF复合电极在锌离子结构电池与柔性电池中发挥着关键作用[23,24]。它们承担三项核心功能：承受机械载荷、作为存储锌离子的电极材料以及促进电子传输。首先，CF优异的机械性能使其适用于结构应用场景[25]。其次，尽管CF本身不具备存储锌离子的能力，但可与锌离子电池正极活性材料复合制备功能性电极[26,27]。第三，虽然CF具有良好的导电性，但其电子传导率仍低于金属箔材。这种情况可能导致电池长期运行时储能效率下降与热量积聚，从而影响其作为集流体的性能表现。提升CF的电子传输能力仍是一项具有挑战性的课题。
碳纤维电极在锂结构电池中同样应用广泛[28,29]，针对此类电池其他集流体的研究具有重要参考价值。为实现集流体的轻量化、高导电性与高强度特性，学者们开发了多种三维金属集流体或金属/聚合物复合集流体[[30], [31], [32], [33], [34], [35]]。碳纤维本身具有质量较轻和三维交织结构的特点，在其表面沉积薄金属层可显著提升导电性能。综合化学稳定性与各类活性物质的相容性考量，银作为导电性最强的金属材料，是最理想的涂层选择。
本文研制了一种采用CF复合电极的锌离子电池。镀银CF（Ag/CF）被用作电池集流体，与传统CF相比展现出更优异的电子传输能力。V₂因其高理论容量被选作活性材料，通过流延工艺涂覆于镀银CF表面形成V₅/Ag/CF正极得以实现。Zn/Ag/CF复合负极通过电沉积法制备。采用聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶作为电解质，赋予电池可变形特性。CF框架为复合电极提供了优异的抗拉强度，而镀银工艺则有助于实现高比容量和稳定的循环性能。该正极材料可提供320 mAh g-1的比容量₂在2 A g⁻¹电流密度下循环1500次后仍保持87%的容量保持率₅（根据V的理论容量计算为3.4 C⁻¹输出： 对于采用碳纤维集流体的电池，该器件在2 A g^-1电流密度下循环500次后，仍表现出250 mAh g^-1的比容量⁻¹（注：根据学术规范补充了电流密度单位g^-1的上标格式，保持与容量单位mAh g^-1的表述一致性）₂O₅). For the CF current collector battery, the device displayed a specific capacity of 250 mAh g⁻¹ after 500 cycles at 2 A g⁻¹.