电学领域的一个重大发明（用柔性电极折了一艘船）

随着人们对智能设备和电子产品的需求不断增加，柔性/可穿戴电子设备、植入式/可修补生物医学系统、电动汽车和物联网等一系列产品被广泛使用，继而激发了人们对高能量密度、形状多样性和机械性能好的高性能电池的不懈追求。为了实现这些目标，研究者致力于开发在电化学活性中，起关键作用的先进电极材料，这在柔性电池中的重要性不言而喻。

传统的锂离子电池（LIBs）电极在机械变形和充放电循环过程中结构不稳定，活性材料和导电剂容易从集流体上脱落下来，甚至极片会出现断裂。针对以上问题，主要采取两种方法，一种是合成具有更好粘结能力的新型粘结剂，另一种是开发碳基集流体（包括碳织物、碳纳米管纸和石墨烯片），以取代金属集流体。然而，这些方法往往需要复杂而昂贵的制造工艺，阻碍了它们的实际应用。此外，一般还使用经过金属沉积或者预处理的高分子织物代替传统的集流体，在机械柔性方面取得了有意义的进展。然而，活性材料从集流体上脱落的问题一直不能得有效的解决，最终使得电极容量保持在较低的水平。

近日，韩国蔚山国立科学技术大学(UNiST)Sang-Young Lee教授和国民大学Jae-Hun Kim教授首次报道了使用电置换的方式制备无任何粘结剂的一体化锂离子电池（LIB）柔性电极的新方法，同时兼具优异的电化学性能和惊人的柔性。相关论文以题为“Galvanically Replaced,Single-Bodied Lithium-Ion Battery Fabric Electrodes”发表在Adv. Funct. Mater.上。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201908633

在本文的研究中，作者报道了一种利用电置换反应制备一体化锂离子电池（LIB）织物电极的新方法，选择金属Sn作为电极活性材料，同时在机械性能好的聚-对苯二甲酸乙二醇酯（PET）织物上，通过化学电镀一层金属镍（Ni）薄层，作为柔性集流体。值得注意的是：Sn2 /Sn的标准电极电位为-0.13 V，高于Ni /Ni的-0.25 V，正是在Ni和Sn之间的电化学电位差的驱动下，Sn逐渐电流取代薄Ni层，最终整体嵌入到Ni中，从而制备了一体化Sn@Ni织物电极，过程中不使用任何的粘结剂。得到的一体化Sn@Ni织物电极具有良好的互连离子传输通道和电子传导网络，这种通过电置换制备的柔性织物电极，在之前的LIB电极中还未报道过。

图1. 一体化Sn@Ni织物电极的制备原理图（化学电镀金属镍（Ni）薄层→用Sn电置换PET织物中Ni）

图2. 一体化Sn@Ni织物电极的结构表征

得益于化学/结构的独特性和合理设计的双连续离子/电子传输途径，一体化Sn@Ni织物电极不仅能够表现出优越的氧化还原反应动力学，还能拥有如折纸船一般的柔性，这远远超出了传统LIB电极技术所能达到的范围。

图3.一体化Sn@Ni织物电极的机械变形性能

图4.一体化Sn@Ni织物电极的电池性能

图5.一体化Sn@Ni织物电极机械/电化学优越性的原理图

总之，在本文中提出的采用电置换的方法制备一体化Sn@Ni织物电极，能够作为具有优异的电化学动力学和柔性的LIB电极。在循环过程中，既能减少活性材料Sn的体积变化，又能承受巨大的机械变形。因此，这种基于电置换的一体化织物电极制备策略作为先进柔性电池的一种简便、可扩展的技术，具有很大的应用前景，将为以后的智能设备和电子产品发展提供源源不断的动力。（文: Caspar）

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