图片来源：期刊Nano Research

 

中国石油大学新能源学院研究院Han Hu表示：“在所有可用的候选设备中，采用锂存储化学的储能设备，如锂离子电池和锂离子电容器，可以在当前阶段提供最佳性能。”

 

然而，锂离子技术因尺寸和效率无法在储能应用普及。要提高电动汽车的市场竞争力，锂离子电池必须在重量和体积方面进行优化。因此，进一步提高存储容量可能是实现碳中和目标的关键，而通过使用新材料对锂离子电池和电容器性能进行研究至关重要。

 

掺杂氮的碳质材料是目前锂电池和电容器的主要选择，其中电子和离子转移是电化学储能的基本过程。然而由于碳质材料是非极性的，且分子中的电荷均匀分布，因此带电的锂离子（Li+）很难粘附到材料上，尽管其不饱和结构已提供合适的键合能。

 

因此，研究人员将碳纳米纤维与铁（Fe）结合在一起，以调节其表面化学性质，从而促进电子和离子转移。通过使用静电纺丝，研究人员生产出一系列含铁的碳纳米纤维样品。然后，他们使用各种电化学测试方法评估了样品的Li+存储性能。扫描和透射电子显微镜显示平滑纤维的3D互连网络没有铁颗粒团块，这表明它们分散良好。

 

结果表明，添加原子Fe改变了碳材料的电子结构，从而提高了导电性，同时降低了Li+的扩散电阻。研究人员解释说，电化学性能的提高主要是通过原子Fe的协同效应和Fe-N键的形成，使Li+可以粘附更多的活性位点，因此锂存储性能得到改善。该全新阳极可支持5000次高电流密度循环，并提供持续的电力，同时提供高能量和大功率密度。其交错的纤维结构还可实现结构稳定，并提高了导电性。

 

研究人员称使用碳纳米纤维可以弥合基础研究和实际应用之间的差距。他们预计该新型材料可用于一系列储能设备。Hu称：“电纺碳纳米纤维垫具有很高的柔韧性，这表明它们还有可能用于柔性和可穿戴的储能装置。”该碳纳米纤维垫将用作电极。此外，研究人员表示还将探索使用其他单原子金属钠、钾和锌来增加电化学能量的存储。