异质原子掺杂碳-石墨烯分级网络负载Sn/MoO3柔性自支撑电极在锂/钾离子电池中的创新应用

为解决柔性电子设备中电池体积大、刚性强的技术瓶颈，研究人员通过静电纺丝-水热法构建了Sn/MoO3@NPCNF@rGO（SM-NPCF@rGO）三维分级结构自支撑电极。该材料通过Sn-MoO3量子点与N/P共掺杂碳纤维的协同作用，显著提升锂/钾离子电池的循环稳定性（LIBs中100次循环后容量达895.1 mAh g-1，PIBs中120次循环后302.9 mAh g-1），为可穿戴设备能源供应提供新方案。

　　

随着智能手表、医疗贴片等柔性电子设备的普及，传统刚性电池已成为制约其发展的关键瓶颈。市场研究显示，全球柔性电池市场规模将在5年内增长2.4亿美元，但现有技术难以兼顾高能量密度与机械柔性。尤其当应用于动态弯曲场景时，电极材料的体积膨胀和结构破碎会导致容量急剧衰减。

针对这一挑战，中国国家关键研发计划支持的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果。研究人员设计出具有"三明治"结构的SM-NPCF@rGO复合材料：内核是Sn-MoO₃量子点（提供高理论容量和体积缓冲），中间层为N/P共掺杂碳纤维（增强导电性），外层包裹还原氧化石墨烯（rGO）形成三维导电网络。这种多尺度设计通过静电纺丝结合水热法实现，其中SnCl₂·2H₂O与NaMoO₄·2H₂O前驱体被嵌入聚丙烯腈（PAN）纤维，经碳化后与GO自组装形成最终结构。

关键实验技术包括：X射线衍射（XRD）确认Sn/MoO₃晶相，透射电镜（TEM）观测到10-20 nm量子点均匀分布，电化学测试采用CR2032纽扣电池体系，对比研究材料在LIBs/PIBs中的性能差异。

【物理表征】XRD图谱显示材料成功保留Sn（PDF#05-0390）和MoO₃（PDF#64-4063）的特征峰，23.7°和39.2°分别对应Sn的（111）和（220）晶面。TEM证实rGO像"保鲜膜"般包裹碳纤维，形成连续导电网络。

【电化学性能】作为LIBs负极，在0.5 A g^-1下循环100次后容量保持895.1 mAh g^-1，优于纯Sn电极（通常<400 mAh g^-1）。对于PIBs，材料通过N/P掺杂扩大层间距（0.39 nm→0.43 nm），使K⁺扩散速率提升3倍，120次循环后容量达302.9 mAh g^-1。

该研究的突破性在于：①首创Sn-MoO₃量子点与双掺杂碳纤维的复合设计，通过MoO₃的"弹簧效应"缓冲体积变化；②rGO外层形成"钢筋混凝土"式保护网，使材料弯曲500次后容量损失<5%；③提出普适性制备策略，可拓展至其他合金类负极材料。这些发现为开发下一代柔性电子电源提供了重要理论依据和技术路线。