DETA蓄电池柔性钠离子电池的电化学功能

发布时间：2026-02-04 14:38:05 点击：次

2.1 柔性钠离子电池的电化学功能

所制备的FSIBs的电化学功能在0-3.5 V对Na/Na+的电位电压规模内进行了评价，运用阳极（CQDs@SnO2）和阴极（CQDs@NaVO3）。图2I-V显现了所制备电池（B25、B50、B100、B150和B200）的循环伏安图。B25在充电过程中，在0.19、0.62、1.22和1.29 V时显现出不同的氧化反响。在充电和放电过程中，发生在0.19、0.62和1.22 V处的峰对应于Na离子刺进到CQDs@SnO2中和从CQDs@NaVO3中提取Na离子（图2I）。B50在第一次循环中，在0.21、0.60、1.23、1.34、1.53、1.58、1.62和2.34 V处呈现许多氧化峰，而第2次循环在0.21、0.60和0.83 V处呈现三个氧化峰，第三次循环在充电过程中在0.10 V处有一个小氧化峰，而在放电过程中没有其他首要的复原峰（图2II）。在第一循环中，B150和B200在1.4 V处有两个首要的氧化峰，而B25、B50和B100在~1.2 V处表现出一个氧化峰。B100在1.2 V的首要氧化峰处供给高电流（3.29 mA），而B25、B50、B150和B200在1.22 V处开释2.7 mA，在1.23 V处开释2.6 mA，在1.42 V处开释2.7 mA，在1.34 V处开释3.0 mA（图2I-V）。在第一次循环的放电过程中，一切电池中都观察到几个轻微的复原峰，呈现在0.02、0.04和0.08 V处。B50在第二和第三个周期中别离在0.08、0.63和0.06 V处表现出复原峰。在一切制备的电池中，第二个

Cyclic voltagram of FSIBs using various ratios of P3HT with PVA gel-polymer electrolytes at 0.5 mV s–1 (three cycles). (I) B25, (II) B50, (III) B100, (IV) B150, (V) B200.

Fig. 2:

FSIBs在0.5 mV s^-1（三个周期）下运用不同份额的P3HT与PVA凝胶聚合物电解质循环伏安图。（I）B25，（II）B50，（III）B100，（IV）B150，（V）B200。

一切电池中的阳极峰在首圈循环中约为1.2-1.4 V，在后续循环中消失。这归因于电解液分化导致的SEI层的构成。B50在0.22和0.38 V处显现出两个阴极峰（图2II），这些峰本质上是与Na_xSn合金的构成相关的，并且是因为Na+刺进到碳中引起的。在阳极过程中，1.2-1.5 V电压规模内构成的氧化峰对应于可逆的Na_xSn脱合金反响。此外，它们归于初始CQDs@SnO₂电极的恢复[36, 37]。电压规模为0.09-0.21、0.60-0.70和1.22-1.56 V的三个氧化峰（图2I-V）别离归因于Na₁₅Sn₄、Na₉Sn₄、NaSn和NaSn₅的脱钠[38-40]。然而，这些氧化峰在一切电池的连续循环中消失，提醒了这两个电化学反响（方程式1和2）的非可逆性。这些脱钠电位与现有文献中核算和实验得出的Sn阳极的成果一致[38-42]。FSIBs中CQDs@SnO₂复合资料的总体反响过程如下方程式1和2[42]：

通过以下公式运用循环伏安（CV）曲线在扫描速率为0.5 mV s-1时的数学面积（方程3）核算制作电池的详细电容值：

其间 \( S_{\text{Idv}} \) 是CV曲线下的积分面积，\( m \) 是作业电极表面活性物质的质量（克），\( v \) 是扫描速率（0.5 mV s⁻¹），而 (\( v_f - v_i \)) 是功能电位窗口（伏特）。电流最初添加，然后跟着电位的添加而削减，在以0.5 mV s⁻¹的速率从零电位充电一切电池时，表示出CV曲线中的“驼峰” [43, 44]。电池B25、B50、B100、B150和B200的详细电容值别离为7084、8444、7016、13 062和8274 F g⁻¹。因为运用了高粘度的果冻状凝胶聚合物电解质，B50完成了比之前研讨（881 F g⁻¹ [18]）更高的比电容。通常情况下，因为可能的短路、过充或不适当操作，电池会发生热量。发生的热量会引发嵌入PVA/P3HT凝胶聚合物电解质中的溶剂（氯仿）的降解 [44]。因而，电池的功能可能会遭到损害。因而，制备的GPEs（PVA/P3HT）在65°C下加热，以将溶剂从电解液中排出。

通过计时电流法对一切制备的FSIB在不同电压下（从0.5到3.5小时，继续5分钟）进行了充放电容量曲线测试，成果如图3I-V所示。制备的FSIB的详细充电和放电容量是通过方程4所示的充电和放电曲线核算得出的：

Charge–discharge capacity profiles of FSIBs using various ratios of P3HT with PVA gel-polymer electrolytes at different voltages. (I) B25, (II) B50, (III) B100, (IV) B150, (V) B200.

Fig. 3:

不同电压下运用不同份额P3HT与PVA凝胶聚合物电解液的FSIB充放电容量曲线。（I）B25，（II）B50，（III）B100，（IV）B150，（V）B200。

(4)

其间（t₂ - t₁）表示时刻继续（秒），（i₂ + i₁）表示电流（安培），m 表示作业电极表面活性资料的质量（克）。

在电位从0.5伏添加到3.5伏时，一切电池的比充电和放电容量都会削减。B25在0.5伏时的放电容量（236毫安时/克）高于充电容量（94毫安时/克）。同样，B50、B100和B200的放电容量别离为234、798和380毫安时/克，高于充电容量（161、162和366毫安时/克）。B150在0.5伏时的充电容量（258毫安时/克）高于放电容量（195毫安时/克）（图3I-V）。在B200中，一切电压下的充电和放电容量都显现出大致相等值，并在3.5伏时供给高充电和放电容量（144和132毫安时/克）（图3V）。

B200电池的放电容量在3.5V时高于其他电池B25（74mAh g-1）、B50（50mAh g-1）、B100（41mAh g-1）和B150（43mAh g-1）。PVA/P3HT份额较高（1:0.2）在一切电压下都能供给更好的充电和放电容量，这显然是因为其高稳定性和导电性。一切FSIB电池在0.5V时都供给了高充电和放电容量。在高电压下，因为电解液在充电和放电过程中活性分化，电池可能会退化，尤其是在触及高电位的情况下[42]。一切制作电池的详细功率和能量随时刻、电流和电压的变化核算得出，这些数据是通过在不同电压下运用计时安培法制作的充放电曲线得出的（图4I和II）。

(I) specific power and (II) specific energy of all FSIBs in charge–discharge profiles at different voltages.

Fig. 4:

(I) 不同电压下一切FSIB在充放电曲线中的比功率和 (II) 比能量。

CQDs@SnO2和CQDs@NaVO3在不同份额的P3HT和PVA凝胶聚合物电解质(GPEs)下的循环功能也在不同电压下进行了评价，如图5I-V所示。Autolab的原始数据如图S1I-V所示。根据氧化峰的CV来考虑电压，以评价FSIB的循环才能。在0.2、0.6、1.2和2.0 V时评价了B25、B50和B100的循环才能，而在0.2、0.6、1.5和2.0 V时评价了B150的循环才能。B200在0.2、0.6、1.3和2.0 V时进行了研讨，这些电压下充电时因为氧化而开释出高电流（图2I-V）。在一切FSIBs中，一切电压下的充电容量都高于放电容量。B25在1.2 V时的首次循环中完成了最大放电容量为370 mAh g^-1，在第50次循环中完成了169 mAh g^-1。它在第50次循环中的放电容量别离为0.2、0.6、1.2和2.0 V的139、151、169和171 mAh g^-1。一切电压下的充电和放电容量都是均匀的（图5I）。它在1.2 V时显现出初始放电容量为370 mAh g^-1，充电容量为348 mAh g^-1，对应于高初始库仑效率（CE）（弥补数据中的图S2I，可在Clean Energy在线获取）。这表明CQDs@SnO2电极能够有用缓解SnO2和PVA/P3HT凝胶聚合物电解质之间的有害反响[45]。B50具有低放电容量，别离为79、85、82和75 mAh g^-1。

Cycling performance of FSIBs using various ratios of P3HT with PVA gel-polymer electrolytes at different voltages. (I) B25, (II) B50, (III) B100, (IV) B150, (V) B200.

Fig. 5:

不同电压下运用不同份额P3HT与PVA凝胶聚合物电解液的FSIB循环功能。（I）B25，（II）B50，（III）B100，（IV）B150，（V）B200。

B100在0.2 V时显现出比B25（319和291 mAh g-1）、B50（201和162 mAh g-1）、B150（79和60 mAh g-1）以及B200（131和124 mAh g-1）更高的初始充电和放电容量（别离为1165和715 mAh g-1）（图5III）。此外，B25和B100在2.0 V的第50次循环中显现出更高的充电和放电容量（别离为190和171 mAh g-1，以及197和151 mAh g-1）（图5I–V）。B100在第50次循环中别离在0.2、0.6、1.2和2.0 V处显现出最大放电容量为120、187、221和151 mAh g-1（图5III）。B100在第50次循环中的低CE为63.82%（图S2III）。低CE是由Na离子对SnO2的复原引起的，也因为电解质的分化构成了SEI膜[25]。B150在1.5和2.0 V时的充电和放电容量高于其他电压。在第一个周期中，观察到在1.5和2.0 V时的最大放电容量（别离为110和119 mAh g-1），而在其他电压下放电较低。B150在第50次循环中在0.2、0.6、1.5和2.0 V处显现出最大放电容量为23、33、50和45 mAh g-1（图5IV）。因为高电流2.7 mA开释导致电解液降解，并且CV曲线的高面积（图2IV），B150在第1个周期中与B25、B50、B100和B200相比具有较差的充电和放电容量。

在一切FSIB中丈量了电化学阻抗谱（EIS），以评价充放电转移电阻（Rct）和钠离子分散的阻力。在通过50次充放电循环后，在0.1Hz至0.01MHz之间丈量的Nyquist图谱。如图6I-V所示，为制作的FSIB的EIS图谱。

Nyquist plots of FSIBs using various ratios of P3HT with PVA gel-polymer electrolytes. (I) B25, (II) B50, (III) B100, (IV) B150, (V) B200, (VI) equivalent circuit.

Fig. 6:

运用不同份额P3HT与PVA凝胶聚合物电解质的FSIB的奈奎斯特图。（I）B25，（II）B50，（III）B100，（IV）B150，（V）B200，（VI）等效电路。

在一切FSIB的Nyquist图谱中，高频区有一个半圆，低频区有一条直线，这与之前的陈述一致。从Nyquist图谱低频区的斜率研讨了电极和凝胶聚合物电解质之间的离子分散行为特征。在Nyquist图谱的高频区域，Rct是从电极和电解质界面处发生的电荷传递电阻的半圆直径中附加的[22, 49, 50]。EIS数据的等效电路如图6VI的插图所示。Ri、C、Rct和W别离是SEI层的内阻、电容、电荷传递阻力和Warburg阻力（质量传递阻力）。Ri表示电池的总电解质阻力和电极/电解质界面的总电荷传递阻力之和，包括因为电极、隔阂和电解液引起的阻力[51, 52]。大半圆表明B25在SIL SH中具有高界面阻抗，因为PVA在室温下的低电导率（1.63 × 10^-12 S cm^-1），导致电荷传播不良，而P3HT的电导率为12.7 S cm^-1 [34, 53]。此外，据报道，在存在少量P3HT的情况下，B25中的界面阻抗很高。一切

从EIS核算一切FSIB的体电解质电阻、内阻、电荷传递阻抗和Na+分散系数。

电池	电解质体积电阻，Rbe（千欧姆）	内部电阻，Ri（千欧）	电荷转移阻抗，Rct（千欧）	钠离子的分散系数，D（平方米每秒）
B25				2乘以10的负十次方
B50				1.16 × 10^-9
B100				4.97 × 10 –8
B150				1.768 × 10^-9
B200				4.72 × 10 –9

B25展现了一个更大的半圆（Rct值为27.22kΩ）（图6I），比其他电解质份额（如B50的8.11kΩ，B100的0.62kΩ，B150的6.41kΩ和B200的3.56kΩ）（图6II-V）要大。高份额的P3HT与PVA供给了低界面阻抗，并有助于通过SIL SH的隔阂转移钠离子，该隔阂也具有低界面阻抗规模（约400Ω）和高电绝缘功能（1-100TΩ）[18]。Na+的分散系数值取决于隔阂的厚度和孔径巨细、Na+的浓度以及电极表面的氧化复原反响。Rbe、Ri和Rct的低值供给了良好的Na+分散。Ri和Rct的分散电荷低于Rbe。这表明隔阂的孔径巨细和电极的氧化复原反响约束了凝胶聚合物电解质中的电荷分散[54,55]。本研讨提醒了PVA和P3HT之间的份额（B25、B50、B150和B200）改变了FSIBs的功能。观察到B100在循环才能方面表现出色。