便携式电子设备和电动汽车的迅猛发展对电池的性能提出了越来越高的要求，发展具有高比能量和环境友好的新型二次电池具有重要意义。近来，锂-硫电池由于其高的重量比容量（1675mAh/g）和体积比容量（3467 mAh/cm3）而备受关注。硒(Se)和硫(S)具有相似的化学性质，但是其导电性和电化学活性都远高于硫。而且Se作为锂离子电池的正极材料也同样具有高体积比容量（3253 mA h/cm3）。然而，和锂-硫电池中的情况类似，锂-硒电池在充放电过程中多硒化物的产生和穿梭效应也会导致其循环性能变差和容量衰减。与此同时全球锂资源的匮乏和分布不均衡使得采用性质类似而价格更为低廉的钠离子取代锂离子作为储能介质被赋予了更高期望。因此，对Se作为一种钠离子电池正极材料的研究也受到了广泛的关注。但是由于Na+半径相比Li+大很多，Na+在电极中反复嵌入/脱出极易导致多次循环后电极结构的塌陷，从而引起容量的衰减，严重限制了Se作为动力电池的倍率性能和使用寿命。
最近，我系余彦教授与朱彦武教授课题组合作开发出一种新型自支撑的柔性多孔碳纤维/硒复合电极材料。研究人员将Se与KOH活化后的三维多孔碳纤维复合，做成高导电的柔性集流体，设计并制备出长循环寿命、可快速充放电的锂-硒和钠-硒电池。这种新型电极材料利用三维连通的碳纤维网络作为集流体，取代了传统电池中常用的金属集流体，可有效降低电极中非活性物质的比例。除此之外，三维多孔碳纤维良好的电子导电性和多孔结构不但避免了多硒化物的形成、抑制了穿梭效应而且为锂（钠）离子和电子提供了快速扩散通道，从而实现了电极材料的快速充放电。
图1. (A)静电纺丝制备碳纤维示意图;(B) 制备碳纤维/Se复合物流程图
为了保持碳纤维的柔韧性并原位构筑分散均匀的多孔结构、增加活性物质Se的负载量，研究人员在静电纺丝原溶液（PAN/DMF）中引入三嵌段化合物F-127，作为高温碳化过程中产生微孔的软模板（图1A）。再进一步利用KOH活化碳纤维，最终得到了富含介孔的碳纤维布。将Se粉末与该碳纤维布混合后，在260°C下加热数小时后，Se分子完全渗入到碳纤维的介孔中，得到了具有优异储锂和储钠性能的柔性多孔碳-硒复合材料（图1B）。研究发现，碳化过程中分解F127得到的介孔在提高Se的电化学性能上扮演着非常重要的作用。这些介孔增加了碳和多硒化物之间扩散的能量壁垒，降低了多硒化物溶解于电解液的驱动力，抑制了多硒化物的溶解。该柔性电极材料(图2A)，在0.5 A/g的电流密度下，其储锂容量接近Se的理论值，并且经过900次循环后容量无衰减（图2B）。当用作钠电池正极时，在1 A/g电流密度下循环其放电容量仍有230 mAh/g，库伦效率也接近100%。
图2.（A）自支撑的柔性三维碳纤维/Se的复合物的实物照片以及SEM照片; (B)在0.5 A/g的电流密度下，锂-硒电池的循环寿命。
该研究为高性能柔性锂（钠）电池的设计和制备提供了新思路。这种可快速充放电的柔性电池制备工艺简单，具有潜在的实际应用价值。相关结果发表在Advanced Energy Materials上 (DOI:10.1002/aenm.201401377)。
上述工作得到了自然基金委、新世纪优秀人才计划、中国科学技术大学创新团队培育基金、中央高校基本科研业务费专项资金资助以及苏州纳米科技协同创新中心和能源材料化学协同创新中心的大力支持。