清华大学黄正宏课题组：水蒸气选择性刻蚀，长循环稳定性锂离子柔性电极材料

柔性锂离子电池需要在弯曲，折叠或压缩的状态下工作，并且在上述条件下具备足够高的容量和长的循环稳定性，有望在未来便携式、可穿戴电子设备上得到广泛应用。

纸、碳布、棉布和一些纺织品等因具有良好的柔性而被直接用作构建柔性电极的基体，但其本身较差的储锂能力，降低了整个电极的比容量/能量密度，被视为“死质量/体积”。

对于纸基材料，通过高温炭化将其转化为质量轻、高储锂活性的导电碳纤维，可以消除这部分“死质量/体积”，但炭化后的基体脆性很大，失去柔性。

另外这些电极材料负载高容量活性物质（如金属氧化物Fe₂O₃、MoO₂、SnO₂ 和 V₂O₃等）会面临嵌锂/脱锂过程中体积变化大而引起循环稳定性差的问题。

 近日，清华大学材料学院黄正宏课题组在美国化学学会 ACS Nano 期刊上在线发表了题为《水蒸气选择性刻蚀:一种有效提高碳纸电极柔性和抑制体积膨胀的策略》(Steam Selective Etching: A Strategy to Effectively Enhance the Flexibility and Suppress the Volume Change of Carbonized Paper-Supported Electrodes)的研究论文。

该论文提出了一种水蒸气选择性刻蚀的方法，获得了具有良好柔性和长循环稳定性的锂离子电极材料，为提高电极材料的柔性以及抑制充放电过程中体积膨胀提供了新的思路。

针对碳纸电极的脆性大以及循环稳定性差的问题，本研究提出了水蒸气选择性刻蚀的策略，成功解决了这些问题。炭化过程中水蒸气会选择性刻蚀掉与氧化物相邻的碳原子，使氧化物镶嵌到纤维里边，形成莲蓬状结构，有效抑制氧化物的体积膨胀，提高电极的循环稳定性。

另外，水蒸气刻蚀引入的孔隙及时释放了弯曲产生的机械应力，从而增强炭化纸电极的柔性。组装成的柔性全电池表现出了优异的性能和可弯曲性，显示出在可穿戴设备中应用的潜力。

论文第一作者为材料学院2015级博士生张文杰，导师为翁宇庆院士和黄正宏研究员（通讯作者）。

文献信息

Zhang W, Shen W, Weng Y, et al. Steam Selective Etching: A Strategy to Effectively Enhance the Flexibility and Suppress the Volume Change of Carbonized Paper-Supported Electrodes[J]. ACS nano, 2019.