针对下一代柔性电子设备,这项研究提出了一种低温制备策略,研发出N/S共掺杂自支撑碳纳米纤维负极。它解决了快充钠离子存储难题,具备优异的倍率性能和循环稳定性,为柔性电子商业化提供了新路径。
智能速览
采用静电纺丝结合低温碳化与硫化工艺,实现可规模化制备。
构建了3D互联导电网络,具备丰富的杂原子活性位点与扩大层间距。
负极在0.05 A g⁻¹下比容量达414 mAh g⁻¹,高倍率下性能优异。
全电池循环2000次后容量保持率87.1%,且兼具高功率密度。
柔性器件在弯曲折叠状态下能稳定驱动传感器,适应性极强。
精华内容
这项研究通过结构工程与化学调控的协同设计,成功破解了柔性钠电负极的制备难题。
创新制备工艺
研究采用静电纺丝技术处理PAN、PMMA与木质素混合溶液,随后进行600℃碳化与400℃气相硫化。PMMA作为牺牲模板,在碳化过程中形成了分级孔结构。这种工艺不仅实现了低温制备,还具备规模化生产的潜力,降低了制造成本。
微观结构优势
所制备的N/S共掺杂自支撑碳纳米纤维构建了3D互联导电网络,加速了电子传输与离子扩散。其层间距扩大至0.372 nm,有效缓解了离子嵌入应力。杂原子极性位点的引入,显著增强了与钠离子的吸附作用,为电化学反应提供了理想的场所。
电化学性能
SPCNF阳极表现出卓越的储钠能力,在0.05 A g⁻¹下可逆比容量高达414 mAh g⁻¹,初始库仑效率达到83.90%。即便在10 A g⁻¹的高电流密度下,容量仍保持在134 mAh g⁻¹,展现了极佳的快充响应速度和倍率性能。
柔性器件表现
组装的全电池在2000次循环后容量保持率为87.1%,钠离子电容器功率密度高达30264 W kg⁻¹。在实际应用测试中,柔性器件即便处于弯曲或折叠状态,也能稳定驱动温湿度传感器,证明了其在复杂工况下的可靠性与适应性。
这项研究为高性能柔性钠离子存储器件的规模化制备提供了有效路径,有望加速下一代柔性电子商业化进程。未来,这种自支撑电极材料能否在更多可穿戴设备中普及?值得期待。