便携式和柔性可穿戴电子产品已逐渐渗透到我们日常生活的方方面面，相应地，对于柔性储能装置的需求也越来越高，而开发高能量密度、高倍率性能和长循环寿命的柔性电极材料至关重要。一种1+1>2的材料设计策略是将V2O3颗粒负载到多通道碳纤维上形成柔性电极材料，一方面，它避免了在柔性电极中添加粘结剂等非活性成分；另一方面，柔性电极的互连结构提供了完整的导电网络以及抵抗体积膨胀的可调空间，有利于电子传输、电解质的渗透，并可抑制活性物质从基底上开裂或脱落。此外，V2O3还具有理论容量高（1070 mAh g−1）、资源丰富、成本低、毒性低等优点，与碳纤维复合也可以改善V2O3体积变化以及导电性问题，是设计自支撑柔性的V2O3基锂离子电极材料的理想策略。

近日，北京大学侯仰龙教授和赵丽娜博士发表了最新研究成果“Free-Standing, Foldable V2O3/Multichannel Carbon Nanofibers Electrode for Flexible Li-Ion Batteries with Ultralong Lifespan”。作者通过简单的静电纺丝结合碳化方法获得自支撑柔性的V2O3/多通道碳纤维（V2O3/MCCNFs）复合材料。这种精细结构具有结构稳定、比表面积高等优点。特别是利用静电纺丝技术设计的多通道一维纳米纤维，可以减少Li+的输运长度，缓冲体积变化，同时提高基体电导率。当用作LIBs负极时，自支撑的V2O3/MCCNFs不仅具有高容量、优异的速率能力和超长的寿命，而且由于没有粘合剂和导电添加剂，有利于实现轻质和高能量密度。当进一步应用于软包电池时，表现出优异的循环性能；更重要的是，它可以在不同的折叠角度（0°–180°）下稳定输出，经过多次重复折叠仍能成功工作，在柔性/可穿戴电子器件中显示出巨大的应用潜力。

图1：(a) 静电纺丝方法制备V2O3/MCCNFs复合材料的示意图和机械加工过程；(b) 静电纺丝法制备的自支撑薄膜；(c) 从(b)切下的电极；(d) 柔性180°折叠薄膜。

图2：(a–c) V2O3/MCCNFs-2， (d–f) V2O3/MCCNFs-3， (g–i) V2O3/MCCNFs-4的SEM图，随着V2O3含量的增加，更多的颗粒被均匀地锚定在碳纤维表面，纤维形态保持完整的网状结构，碳纤维相互缠绕，不仅有利于促进电解质的渗透，缩短Li+的传输长度，而且增加了活性材料/电解质的接触面积。

图3： (a) V2O3/MCCNFs-3的XRD图，表明为纯相V2O3；(b) C 1s，(c) O 1s，(d) V 2p的高分辨XPS图谱。图3b显示了C 1s的高分辨率光谱，可分解为5个峰值，分别位于288.9、287.3、285.8、284.6和283.3 eV处，对应于O-C=O, C=O, C-O, C-C,和C-V键，另外，C-V键的存在也证实了V2O3与碳基体之间的强相互作用。V2O3/MCCNFs复合材料的O 1s光谱可以拟合到530.4和531.3ev处的两个峰值，分别对应于V–O和C–O–V键（图3c）。因此，V2O3与碳纳米纤维之间形成了强烈的化学相互作用，有利于加速界面电荷传输动力学，提高整体结构稳定性。此外，图3d中的V 2p XPS光谱中出现了524.4和517.2eV的峰值，分别以V 2p1/2和V 2p3/2，对应于V3+的存在，进一步证明为纯V2O3相。

图4：(a,b) V2O3/MCCNFs-3的TEM图； (c) V2O3/MCCNFs-3的HRTEM图；(d-g) V2O3/MCCNFs-3的mapping图。V2O3/MCCNFs-3复合材料显示出平行的空心通道（如红色箭头所示），平均纤维直径为800 nm，并且V2O3纳米颗粒均匀地锚定在多通道碳纳米纤维上。图4c显示了V2O3/MCCNFs复合材料的HRTEM图像，观察到了间距为0.245 nm的晶格条纹，对应于V2O3的（110）晶面，与XRD结果一致。如图4d–g所示、C、O和V元素均匀分布在整个多通道碳纳米纤维中，这也证实了V2O3纳米颗粒均匀地锚定在多通道碳纳米纤维上。

图5：(a) 扫描速率为0.1 mV s−1时的前三个CV曲线: 位于0.72 V的还原峰对应于固体电解质界面（SEI）的形成。值得注意的是，在随后的两个循环中，分别在0.97/1.25、1.59/1.84、2.52/2.67 V下再次观察到三对较弱的氧化还原，电位间隔很小，分别为0.28、0.25、0.15 V，这表明可逆锂插入/提取的快速电化学动力学。随后的两个循环几乎重叠，显示出优异的循环稳定性和高度可逆的锂存储; (b) V2O3/MCCNFs-x（x=2、3和4）在0.1 A g-1电流密度下的循环性能：第一次放电/充电容量分别为900.5/568.2、1383.6/7906.3、942.9/594.5 mAh g-1，初始库仑效率(ICE)分别为63.1%、65.5%、63.05%。低ICE的形成可能与SEI的形成和电解质的分解有关。V2O3/MCCNFs-3电极在随后的循环中保持良好的循环稳定性。即使经过240次循环，也可获得881.1mAh g-1的高可逆放电容量，库仑效率高达99.48%，远远超过240次循环后仅有528和584.2 mAh g-1的其他两种复合材料的容量; (c) V2O3/MCCNFs-x（x=2，3，4）在不同电流密度下的速率性能：V2O3/MCCNFs-3显示出前所未有的速率能力，并在0.1、0.2、0.5、1、2和5 A g-1时分别提供1364.3、712.5、639.5、581.7、526.1和456.8 mAh g-1的可逆放电容量，不仅优于其他两个电极，而且超过了已报到的基于V2O3的电极材料和其他基于金属氧化物的自支撑电极材料。当恢复到0.1 A g-1时，可以迅速恢复到750 mAh g-1的高放电容量，并在100次循环后增加到884.7 mAh g-1，证实了优良的速率性能和优异的结构稳定性; (d)不同电流密度下V2O3/MCCNFs-3的恒流充放电曲线，除了第一个周期的充放电曲线外，其他的都保持类似的缓坡形状和不明显的平台，证实了其快速离子/电子传输的动力学电容存储行为和赝电容的贡献; (e) V2O3/MCCNFs-x（x=2、3和4）在5 A g-1的高电流密度下的超长循环性能：V2O3/MCCNFs-3在5000次循环后保持了高度稳定的库仑效率和487.8 mAh g−1的放电容量，与最高放电容量相比，每次循环仅衰减0.00323%，远远超过其他两种电极。此外，与之前报道的V2O3基材料和其他金属氧化物基独立材料相比， V2O3/MCCNFs-3具有最长的高速率循环性能，进一步表明了材料结构的优越性。至于前500次循环中的容量增加，这可能是由于电解液逐渐渗透而引起的活化过程。

图6：(a)不同扫描速率下V2O3/MCCNFs-3的CV曲线; (b)对应的log(v)–log(i)线性关系; (c)扫描速率为1 mV s-1时V2O3/MCCNFs-3的电容贡献; (d)不同扫描速率下电容和扩散控制电容的贡献率。一般而言，Li+的存储过程可根据以下等式进行讨论：i =αvb,，其中i和v分别表示峰值电流和扫描速率。α和b是可调参数。当b值接近1.0时，电容行为是主要控制步骤。如果b值接近0.5，则扩散控制起着重要作用。如图6b所示，正极峰和负极峰的b值分别为0.90和1.02，这意味着电容行为起着重要作用。此外，扩散和电容的贡献可以根据i =k1v+k2v1/2,方程计算，其中k1v对应于电容贡献，k2v1/2表示扩散控制过程。电容对总容量的贡献可以通过计算不同扫描速率下的k1来确定。如图6d所示，0.3、0.4、0.5、0.6和1mV s-1的电容贡献分别为72.7%、75.4%、77.7%、79.6%和83.7%。

图7：(a–e) 通过检查LED照明与否，定性演示软包电池对折叠过程不敏感：由V2O3/MCCNFs-3组装的软包电池能够成功地点亮发光二极管（LED）。此外，当软包电池以不同角度（90°、180°和0°）折叠时，LED不会发生显著变化；(f) 以V2O3/碳纤维为正极，金属锂为负极，在1A g-1高密度下的循环性能：在1A g-1时，软包电池的第一可逆容量为459.5 mAh g-1，500次循环后容量下降至348.3 mAh g-1，与最高放电容量相比，每次循环仅衰减0.094%。可折叠的自支撑V2O3/MCCNFs-3复合电极具有优异的循环性能，所制备的V2O3/MCCNFs电极在柔性电子器件方面具有巨大的潜力。

论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202005302

侯仰龙，材料科学与工程系教授，北京大学科学研究部副部长。2000年于哈尔滨工业大学获得博士学位，2007年12月加入北京大学工学院任特聘研究员，2012年6月破格晋职为北京大学终身教授。现任教育部长江学者特聘教授、北京大学教授、博士生导师、兼北京大学前沿交叉学科研究院教授。主要从事多功能磁性材料、新能源材料的控制合成及其在纳米生物医学与能源领域的应用探索研究。发展了单分散磁性纳米材料的通用制备方法，提出了自下而上的纳米耦合磁体化学制备新策略、探索了磁性纳米颗粒在肿瘤等重大疾病的诊断与治疗的应用。正主持或参加国家杰出青年基金、国家重大基础研究计划（973）等课题。迄今发表学术论文100余篇，申请专利10余项，为Wiley等出版社撰写中英文章节9篇，在国际和各类双边会议上作大会或分会邀请报告30余次，发起/组织国际学术会议/分会10余次。

荣获多项荣誉和奖励，包括北京市科技新星（2008）、教育部新世纪优秀人才（2009）、北京市优秀人才（2009）、霍英东优秀青年教师奖 （2009）、青年科学之星新人奖（2010）、国家杰出青年基金获得者（2011）、北京茅以升青年科技奖（2011）、绿叶生物医药杰出青年学者奖 （2012）、中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖（2013）、教育部长江学者特聘教授（2014）和科技部中青年科技创新领军人才（2014）。

现任Scientific Reports(NPG)、Advanced Science(Wiley)、Science China Materials、 Rare Metals等期刊编委，中国材料研究会理事、中国化学会理事、中国生物材料学会理事、中国化学会青年化学工作者委员会副主任委员、中国材料研究会纳米材料与器件分会副秘书长、中国材料研究会青年委员会常务理事等。

赵丽娜，北京大学工学院2019级博士后，研究方向：钠离子电池电极材料。