Ultrathick GeP Anode To Balance the Extreme Load and Compliance for High Areal Capacity Flexible Sodium-Ion Batteries

材料科学 电极 阳极 阴极 多孔性 储能 纳米技术 光电子学 复合材料 化学工程 电气工程 化学 功率(物理) 物理 物理化学 量子力学 工程类
作者
Tianbiao Zeng,Huaibo Yu,Dan Luo,Huibin Guan,Hanna He,Chuhong Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (48): 55779-55789 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.3c12613
摘要

The ever-growing application of miniaturized electric devices calls for the manufacturing of energy storage systems with a high areal energy density. Thick electrode design is a promising strategy to acquire high areal energy density by enhancing active mass loading and minimizing inactive components. However, the sluggish reaction kinetics and poor electrode mechanical stability that are accompanied by the increased electrode thickness remain unsolved problems. Herein, for the first time, we propose a novel chemical cross-linking strategy to fabricate GeP thick electrodes with adjustable electrode thicknesses and active mass loadings for high areal capacity sodium-ion batteries (SIBs). The chemical cross-linking between carboxylic multiwalled carbon nanotubes (CNTs) and pyrolysis cellulose nanofibers (CNFs) forms a 3D network that encloses GeP nanoparticles, which guarantees fast charge transfer, efficient stress relief, and alleviated volume expansion/shrinkage of the electrode. The hierarchical porous structure generates numerous interconnected channels for unfettered Na+ diffusion, ensuring uncompromised reaction kinetics as the electrode thickness increases. As a result, the ultrathick 1031 μm GeP@C-CNTs-CNFs electrode featuring a mass loading of 18.3 mg cm-2 delivers an ultrahigh areal capacity of 10.58 mAh cm-2 accompanied by superior cycling stability, which outperforms all reported Ge-based electrodes (generally below 1.5 mAh cm-2). This work sheds insightful light on designing high areal capacity flexible thick electrodes for the applications of miniaturized electric devices.
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