獨特的3D螺旋結(jié)構(gòu)！助力高性能柔性可穿戴鋁離子電池

導(dǎo)讀：本文通過構(gòu)建3D螺旋狀MoSe2陣列，制備了無粘接劑的柔性電極并在鋁離子電池中展現(xiàn)出了極好的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。卓越的電化學(xué)性能表明硒化物納米結(jié)構(gòu)在鋁離子電池的良好應(yīng)用前景，并可以擴展到其他柔性可穿戴儲能器件。

因為鋁的高豐度、低成本，在眾多二次儲能器件中，鋁離子電池（AIBs）一直是有望取代鋰離子電池的有力競爭者。但其正極的研究還進展十分緩慢，急需更多的研究以提高其容量和循環(huán)穩(wěn)定性。近日，電子科技大學(xué)王志明及其團隊報道了硒化鉬3D螺旋納米陣列，具有良好的柔性和延展性，并在AIBs內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，為AIBs未來應(yīng)用于可穿戴柔性期間提供了可能性。相關(guān)論文以題為“Three-Dimensional Molybdenum Diselenide Helical Nanorod Arrays for High-Performance Aluminum-Ion Batteries”發(fā)表在ACS Nano上。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02831

相比于已經(jīng)被應(yīng)用于我們?nèi)粘Ｉ�活方方面面的鋰離子電池，鋁離子電池具有成本低、鋁元素豐度高、無毒、安全（金屬鋁負(fù)極反應(yīng)過程中不會產(chǎn)生支晶）等優(yōu)勢，是下一代二次儲能器件的競爭者之一。目前眾多研究者們相繼嘗試了石墨電極和硫化物電極，但石墨電極在AIBs中往往不能獲得足夠高的容量，而硫化物電極則穩(wěn)定性較差。此外，粘接劑造成的副反應(yīng)也會導(dǎo)致電極的電化學(xué)性能進一步衰減。因此，AIBs的正極材料還需要進一步的研究探索。

本文中，作者利用磁控濺射法和低溫等離子體輔助硒化法，成功的在聚酰亞胺基板合成了螺旋狀生長的MoSe2陣列。由于本身的自支撐結(jié)構(gòu)，避免了粘接劑和電解液之間的副反應(yīng)。電極在0.3 A g-1的電流密度下可提供753 mA h g-1的超高比容量，并在1 A g-1的電流密度下循環(huán)1000次比容量依舊保有330 mA h g-1。通過非原位拉曼、XPS和TEM表征證實了Al-Se合金化反應(yīng)的發(fā)生和AlCl-離子的插層反應(yīng)。此外，該無粘接劑的螺旋結(jié)構(gòu)在使材料具有高導(dǎo)電性和高表面積，可以更好的吸收電解質(zhì)中的離子，這也有助于提高材料的比容量。

總結(jié)來說，作者利用磁控濺射和等離子體輔助低溫硒化法，構(gòu)建了獨特的3D螺旋狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以很好的提高材料的導(dǎo)電性和比表面積，并結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，可以在循環(huán)中保持自身形貌。無粘接劑的可以很好地避免副反應(yīng)的發(fā)生，提高材料的穩(wěn)定性。通過多手段表征，觀測到了MoSe2在AIBs中的多不反應(yīng)過程，為硒基材料在AIBs中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

圖1 MoSe2HNRAs的制備和在AIBs中的工作示意圖。

圖2 MoSe2 HNRAs的 (a)-(b) SEM照片；(c)-(d) TEM照片；(e)拉曼圖譜；(f) XPS的Mo 3d放大圖譜；(g) XPS的Se 3d放大圖譜。

圖3 MoSe2HNRAs電極 (a)在0.5 V s-1掃描速率下的CV曲線圖；(b) 在0.3 A g-1的電流密度下的前三圈充放電曲線圖；(c) 在不同電流密度下的充放電曲線圖；(d) 能量密度vs功率密度圖；(e)-(f) 在1 A g-1和5 A g-1的大電流密度下的循環(huán)性能圖。

圖4 MoSe2HNRAs電極在不同充放電階段的非原位拉曼、XPS和TEM圖。

圖5 (a)-(b) 組裝的AIBs的柔韌性測試照片；(c) 圖(b)狀態(tài)下對應(yīng)的充放電曲線圖（電流密度20 μA cm-2）；(d) 反復(fù)重復(fù)圖(b)時的循環(huán)圖；(e) 組裝的AIBs的延展性測試照片；(f) 拉伸至不同狀態(tài)時的充放電曲線圖電流密度（20 μA cm-2）；(g) 拉伸至不同狀態(tài)時的循環(huán)測試圖。