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  近日，清華大學材料學院黃正宏研究員課題組在美國化學學會《ACS Nano》期刊上在線發(fā)表了題為《水蒸氣選擇性刻蝕:一種有效提高碳紙電極柔性和抑制體積膨脹的策略》(Steam Selective Etching: A Strategy to Effectively Enhance the Flexibility and Suppress the Volume Change of Carbonized Paper-Supported Electrodes)的研究論文。該論文提出了一種水蒸氣選擇性刻蝕的方法，獲得了具有良好柔性和長循環(huán)穩(wěn)定性的鋰離子電極材料，為提高電極材料的柔性以及抑制充放電過程中體積膨脹提供了新的思路。

  柔性鋰離子電池需要在彎曲，折疊或壓縮的狀態(tài)下工作，并且在上述條件下具備足夠高的容量和長的循環(huán)穩(wěn)定性，有望在未來便攜式、可穿戴電子設備上得到廣泛應用。紙、碳布、棉布和一些紡織品等因具有良好的柔性而被直接用作構建柔性電極的基體，但其本身較差的儲鋰能力，降低了整個電極的比容量/能量密度，被視為“死質(zhì)量/體積”。對于紙基材料，通過高溫炭化將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)量輕、高儲鋰活性的導電碳纖維，可以消除這部分“死質(zhì)量/體積”，但炭化后的基體脆性很大，失去柔性。另外這些電極材料負載高容量活性物質(zhì)（如金屬氧化物Fe₂O₃, MoO₂, SnO₂ and V₂O₃等）會面臨嵌鋰/脫鋰過程中體積變化大而引起循環(huán)穩(wěn)定性差的問題。

碳紙電極材料合成示意圖、電池性能及制成表鏈的全電池點亮LED手表圖片

  針對碳紙電極的脆性大以及循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，本研究提出了水蒸氣選擇性刻蝕的策略，成功解決了這些問題。炭化過程中水蒸氣會選擇性刻蝕掉與氧化物相鄰的碳原子，使氧化物鑲嵌到纖維里邊，形成蓮蓬狀結(jié)構，有效抑制氧化物的體積膨脹，提高電極的循環(huán)穩(wěn)定性。另外，水蒸氣刻蝕引入的孔隙及時釋放了彎曲產(chǎn)生的機械應力，從而增強炭化紙電極的柔性。組裝成的柔性全電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和可彎曲性，顯示出在可穿戴設備中應用的潛力。

  論文第一作者為材料學院2015級博士生張文杰，導師為翁宇慶院士和黃正宏研究員（通訊作者）。該研究工作得到了國家自然科學基金的支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.9b01173