独特的3D螺旋结构！助力高性能柔性可穿戴铝离子电池

导读：本文通过构建3D螺旋状MoSe2阵列，制备了无粘接剂的柔性电极并在铝离子电池中展现出了极好的能量密度和循环稳定性。卓越的电化学性能表明硒化物纳米结构在铝离子电池的良好应用前景，并可以扩展到其他柔性可穿戴储能器件。

因为铝的高丰度、低成本，在众多二次储能器件中，铝离子电池（AIBs）一直是有望取代锂离子电池的有力竞争者。但其正极的研究还进展十分缓慢，急需更多的研究以提高其容量和循环稳定性。近日，电子科技大学王志明及其团队报道了硒化钼3D螺旋纳米阵列，具有良好的柔性和延展性，并在AIBs内表现出优异的电化学性能，为AIBs未来应用于可穿戴柔性期间提供了可能性。相关论文以题为“Three-Dimensional Molybdenum Diselenide Helical Nanorod Arrays for High-Performance Aluminum-Ion Batteries”发表在ACS Nano上。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02831

相比于已经被应用于我们日常生活方方面面的锂离子电池，铝离子电池具有成本低、铝元素丰度高、无毒、安全（金属铝负极反应过程中不会产生支晶）等优势，是下一代二次储能器件的竞争者之一。目前众多研究者们相继尝试了石墨电极和硫化物电极，但石墨电极在AIBs中往往不能获得足够高的容量，而硫化物电极则稳定性较差。此外，粘接剂造成的副反应也会导致电极的电化学性能进一步衰减。因此，AIBs的正极材料还需要进一步的研究探索。

本文中，作者利用磁控溅射法和低温等离子体辅助硒化法，成功的在聚酰亚胺基板合成了螺旋状生长的MoSe2阵列。由于本身的自支撑结构，避免了粘接剂和电解液之间的副反应。电极在0.3 A g-1的电流密度下可提供753 mA h g-1的超高比容量，并在1 A g-1的电流密度下循环1000次比容量依旧保有330 mA h g-1。通过非原位拉曼、XPS和TEM表征证实了Al-Se合金化反应的发生和AlCl-离子的插层反应。此外，该无粘接剂的螺旋结构在使材料具有高导电性和高表面积，可以更好的吸收电解质中的离子，这也有助于提高材料的比容量。

总结来说，作者利用磁控溅射和等离子体辅助低温硒化法，构建了独特的3D螺旋状结构。这种结构可以很好的提高材料的导电性和比表面积，并结构稳定性良好，可以在循环中保持自身形貌。无粘接剂的可以很好地避免副反应的发生，提高材料的稳定性。通过多手段表征，观测到了MoSe2在AIBs中的多不反应过程，为硒基材料在AIBs中的应用提供了指导。

图1 MoSe2HNRAs的制备和在AIBs中的工作示意图。

图2 MoSe2 HNRAs的 (a)-(b) SEM照片；(c)-(d) TEM照片；(e)拉曼图谱；(f) XPS的Mo 3d放大图谱；(g) XPS的Se 3d放大图谱。

图3 MoSe2HNRAs电极 (a)在0.5 V s-1扫描速率下的CV曲线图；(b) 在0.3 A g-1的电流密度下的前三圈充放电曲线图；(c) 在不同电流密度下的充放电曲线图；(d) 能量密度vs功率密度图；(e)-(f) 在1 A g-1和5 A g-1的大电流密度下的循环性能图。

图4 MoSe2HNRAs电极在不同充放电阶段的非原位拉曼、XPS和TEM图。

图5 (a)-(b) 组装的AIBs的柔韧性测试照片；(c) 图(b)状态下对应的充放电曲线图（电流密度20 μA cm-2）；(d) 反复重复图(b)时的循环图；(e) 组装的AIBs的延展性测试照片；(f) 拉伸至不同状态时的充放电曲线图电流密度（20 μA cm-2）；(g) 拉伸至不同状态时的循环测试图。