随着柔性显示器、电子皮肤和可穿戴传感器等可穿戴电子设备的发展，对柔性可充电电池的需求也越来越大。柔性钠离子电池由于资源丰富、成本低、安全性较高等优点，被认为一种具有前途的解决方案，而柔性电极的研究对柔性钠离子电池的发展至关重要。静电纺丝是一种方便、经济、可扩展的制备柔性电极的方法，通过静电纺丝将纳米纤维和过渡金属氧化物/硫化物等无机材料复合，能够有效缓解材料在充放电过程中的体积膨胀。然而钠离子具有较大的钠离子半径(1.02 Å)，导致离子转移和扩散速率缓慢，并且在循环过程中会对电极材料造成结构损伤。因此，制备具有大倍率容量与长循环稳定性的柔性纤维电极材料仍是一项巨大挑战。

近日，江南大学乔辉教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Flexible Self-Supporting MOF-Based Bean Pod Cube Hollow Nanofibers for Ultralong Cycling and High Rate Na Storage”。研究者通过静电纺丝、PDA 包覆和碳化/硫化处理合成了豆荚立方体中空MOF-SnS_x/NC@N掺杂碳纳米纤维。Sn-MOF作为自牺牲模板，产生保留锡成分的中空中间体，随后通过硫化制备了空心MOF-SnS_x/NC@N掺杂碳纳米纤维。

这种合成方法有效地避免了SnS在制备过程中的团聚问题，极大地缓解了SnS在充放电过程中的体积膨胀。另外， N掺杂碳纤维网络能够有效提高复合材料的整体导电性能，从而加速电极反应的动力学。将其作为钠离子电池负极，在10 A/g下具有高达130 mA h/g的倍率容量，在2 A/g 循环3500周可实现328 mA h/g的可逆容量，表现出优异的长循环和大倍率性能。

图1：豆荚立方体中空MOF-SnS_x/NC@N掺杂碳纳米纤维的制备和柔性。

在该项工作中，通过静电纺丝、PDA 包覆和碳化/硫化处理合成了豆荚立方体中空MOF-SnS_x /NC@N掺杂碳纳米纤维，相比于直接将金属盐与纺丝液混合后电纺，该方法能更好缓解SnS在循环过程中的体积膨胀。具体来说，将Sn-MOF/PAN纤维包覆PDA涂层，在此过程中Sn-MOF作为自牺牲模板（MOF解离和多巴胺的聚合同时发生），产生保留锡成分的中空中间体，经过硫化处理，SnSx/NC纳米颗粒集成在三维氮掺杂碳纳米纤维中，形成独特的豆荚立方体复合结构。这种独特的豆荚立方体复合结构，可以为SnS的体积膨胀提供一定的缓冲空间，这对提高电极材料大倍率容量和长循环寿命具有很大优势。

图2：豆荚立方体中空MOF-SnS_x/NC@N掺杂碳纳米纤维的形貌。

为了研究结构-性能关系，研究人员对其循环性能、倍率性能等电化学性能进行测试。SNC2-600作为钠离子电池负极材料，在10 A/g的电流密度下可逆容量高达130 mA h/g。同时该材料表现出优异的循环稳定性，在2 A/g电流密度下循环3500周可逆容量为328 mAh/g。研究结果表明，在充放电循环过程中，豆荚立方体中空MOF-SnS_x /NC@N掺杂碳纳米纤维所具有的独特结构，极大地缓解了材料在充放电过程中的体积膨胀效应和粒子团聚问题，且相互交联的碳纤维导电网络能够加快离子/电子传输，这对于提高钠离子电池的大倍率容量和长循环寿命具有较大优势。

图3：豆荚立方体中空MOF-SnS_x/NC@N掺杂碳纳米纤维应用于钠离子电池的电化学性能。

此外，制备的全电池SNC2-600//Na₃V₂(PO₄)₃可至少点亮34个LED灯泡组成的灯牌，显示出实际应用前景。因此，这种豆荚立方体空心结构，将为柔性长循环寿命和高功率密度纤维电极材料的制备及其在下一代可充电电池中的应用提供新的视角。

图4：全电池的实际应用。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.3c18941

人物简介：

乔辉，江南大学教授、博士研究生导师。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省产学研联合创新基金、中国博士后科学基金特别资助及面上项目等国家（或省部）级项目。近年来在Advanced Fiber Materials、Small、Chemical Engineering Journal、Advanced Composites and Hybrid Materials和 ACS Applied Materials & Interfaces等期刊共发表SCI论文80篇，他引2000余次；参编《Functional Nanofibers and Their Applications》英文教材1部；授权发明专利4项；荣获教育部自然科学奖二等奖、中国纺织工业联合会科技进步奖三等奖、中国商业联合会科技进步奖三等奖等。