圖片來源：期刊Nano Research

 

中國石油大學新能源學院研究院Han Hu表示：“在所有可用的候選設備中，采用鋰存儲化學的儲能設備，如鋰離子電池和鋰離子電容器，可以在當前階段提供最佳性能。”

 

然而，鋰離子技術因尺寸和效率無法在儲能應用普及。要提高電動汽車的市場競爭力，鋰離子電池必須在重量和體積方面進行優化。因此，進一步提高存儲容量可能是實現碳中和目標的關鍵，而通過使用新材料對鋰離子電池和電容器性能進行研究至關重要。

 

摻雜氮的碳質材料是目前鋰電池和電容器的主要選擇，其中電子和離子轉移是電化學儲能的基本過程。然而由于碳質材料是非極性的，且分子中的電荷均勻分布，因此帶電的鋰離子（Li+）很難粘附到材料上，盡管其不飽和結構已提供合適的鍵合能。

 

因此，研究人員將碳納米纖維與鐵（Fe）結合在一起，以調節其表面化學性質，從而促進電子和離子轉移。通過使用靜電紡絲，研究人員生產出一系列含鐵的碳納米纖維樣品。然后，他們使用各種電化學測試方法評估了樣品的Li+存儲性能。掃描和透射電子顯微鏡顯示平滑纖維的3D互連網絡沒有鐵顆粒團塊，這表明它們分散良好。

 

結果表明，添加原子Fe改變了碳材料的電子結構，從而提高了導電性，同時降低了Li+的擴散電阻。研究人員解釋說，電化學性能的提高主要是通過原子Fe的協同效應和Fe-N鍵的形成，使Li+可以粘附更多的活性位點，因此鋰存儲性能得到改善。該全新陽極可支持5000次高電流密度循環，并提供持續的電力，同時提供高能量和大功率密度。其交錯的纖維結構還可實現結構穩定，并提高了導電性。

 

研究人員稱使用碳納米纖維可以彌合基礎研究和實際應用之間的差距。他們預計該新型材料可用于一系列儲能設備。Hu稱：“電紡碳納米纖維墊具有很高的柔韌性，這表明它們還有可能用于柔性和可穿戴的儲能裝置。”該碳納米纖維墊將用作電極。此外，研究人員表示還將探索使用其他單原子金屬鈉、鉀和鋅來增加電化學能量的存儲。