2019年，John B. Goodenough、Stanley Whittingham和Akira Yoshino三位研究工作者因在可充电锂离子电池开发方面的贡献被授予诺贝尔化学家。在致敬伟大科学家的同时，也让我们更加清晰地了解到锂离子电池带给我们生活的极大便利。本着同样让生活更便利的原则，便携可穿戴电子设备也逐渐走入到人们生活当中，比如常见的运动手环、智能衣物、智能传感器、柔性显示屏等。然而，目前传统的可充电电池仍不能满足便携可穿戴电子设备的技术要求，如小体积、轻质量、高比能及柔性和安全性。因此，发展相匹配的高性能柔性水系储能器件对推动便携可穿戴电子设备的推广具有重要意义。近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所姚亚刚教授课题组发展了一种基于全自支撑电极的纤维状准固态柔性水系可充电锂离子电池（FARLIBs）。该电池分别以生长在碳纳米管纤维（CNTF）上的LiCoO2和NaTi2(PO4)3为正极（LCO@CNTF）和负极（NTP@CNTF）。相关成果以“High-Performance and Ultraflexible AqueousRechargeable Lithium-Ion Batteries Developed by Constructing All Binder-Free ElectrodeMaterials”发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。论文第一作者为中国科学技术大学满萍硕士，论文通讯作者为姚亚刚教授。本工作通过一步水/溶剂热方法在CNTF表面生长电极材料，获得柔性自支撑电极。这种方法有效避免了传统方法中高温煅烧造成的晶体破坏及浆料电极中引入的“死体积”。通过SEM、TEM及XRD对电极的形貌结构进行分析。其中，LiCoO2呈多边形片状结构均匀分布在CNTF上，NaTi2(PO4)3则生长为类橄榄球结构。图1 （a）LCO@CNTF正极和NTP@CNTF负极的制备示意图，（b-e）LCO@CNTF正极的形貌结构表征，（f-i）NTP@CNTF负极的形貌结构表征以饱和Li2SO4溶液为电解质，首先利用三电极系统研究LCO@CNTF正极的电化学性能。该正极表现出优异的比容量及倍率性能，在0.05 A cm-3电流密度下，LCO@CNTF正极表现出68.66 mA h cm-3的初始容量，并在电流密度增加到2.0 A cm-3时维持初始容量的71%。此外，通过动力学分析证实该电极储Li+行为主要是一个表面控制的反应过程。图2 LCO@CNTF电极电化学性能：（a）前五次CV曲线，（b）GCD曲线，(c)倍率性能及相应的库仑效率，（c）CV曲线，(e)阴极和阳极峰对应的log(i) vs log(v)图，（f）循环性能(插图为不同循环下的GCD曲线)
同样在三电极系统中对NTP@CNTF负极的储能行为进行研究。相对于包碳的NaTi2(PO4)3粉末浆料电极，自支撑电极表现出更大的容量和更小的极化，这主要归因于自支撑电极结构的优势和CNTF基底优异的导电性能。NTP@CNTF负极展现出高的可逆容量（0.2 A cm-3时，具有容量102.64 mAh cm-3）及优异的循环稳定性（3000次循环之后，维持原始容量90.3%）。除此之外，通过ex-XRD分析进一步证实该电极的储锂过程对应于![]()
图3 NTP@CNTF电极的电化学性能表征:（a）NaTi2(PO4)3、NaTi2(PO4)3@C、NTP@CNTF的CV曲线对比，（b）前三个周期的CV曲线，（c）CV曲线，（d）阴极和阳极峰对应的log(i) vs log(v)图，（e）GCD曲线，（f）循环性能(插图为不同循环下的GCD曲线),（g）在初始充放电循环的非原位XRD，（h）Li+存储过程示意图以LCO@CNTF为正极，NTP@CNTF为负极，Li2SO4/CMC为凝胶电解质，组装出FARLIB，这也是迄今为止首个基于全纤维状自支撑电极的柔性水系锂离子电池。实验证实，所组装的FARLIB器件具有~1.5 V的放电平台，能够实现67.86 mWh cm-3的最大能量密度和6.0 W cm-3的最大功率密度。同时，展现出优异的循环性能，在1000次循环后容量保持率为84.7%。图4 FARLIBs器件电化学性能：（a）FARLIBs组装示意图，（b）CV曲线，（c）FARLIB不同扫速下的容量贡献，（d）GCD曲线，（e）Ragone图，（f）循环性能及库伦效率为进一步探究该器件在可穿戴储能领域中的应用潜力，进行了一系列柔性测试。所组装的电池在不同弯曲角度下容量基本稳定，并保持良好的机械稳定性。此外，该器件通过串联的方式可以点亮LED，并能编织到织物中实现LED的供能。图5（a）FARLIB在不同弯曲角度下的GCD曲线，（b）90°弯曲角度下的循环性能，（c）FARLIB器件串联为LED供能，（d）器件编织到织物中为LED供能文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c00341
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