富氧缺陷Co3O4-x 用于锌-空/锌-钴杂化电池

【前沿部分】

锌-空气电池以高能量密度著称，其理论能量密度可达1370 Wh/kg。但是，锌-空气电池输出电压低，一般在1.3V一下。其次，其是一种以空气为正极，必须在有空气的条件下工作，这限制了其应用。另外，析氧反应 (OER) 和 氧还原反应 (ORR) 是构筑可充放电锌-空气电池的两个至关重要的化学反应过程。寻找高效的催化剂是开发锌-空气电池的关键。Co₃O₄ 是一种不错的OER催化剂，但是其ORR性能很差。通过制造氧缺陷可以极大的提高Co₃O₄ 的ORR和OER 性能。Co₃O₄ 是一种很好的电极材料，其可作为电极材料用于锌-钴电池， 锌-钴电池具有较高的输出电压(>1.8 V)并且可以在无氧条件下工作。但是锌-钴电池的能量密度低导致不能长时间、持续为电子器件供电。将富氧缺陷的Co₃O_4-x 和锌配对，组成的Zn-Co₃O_4-x 将具有锌-空气电池和锌-钴电池行为。其将集成锌-空气和锌-钴电池的优势，具有高能量密度、高输出电压并可在多种环境下工作等特点。最近，香港城市大学的支春义教授课题组通过Ar-plasma 处理Co₃O₄ 制备富氧缺陷Co₃O_4-x 电极材料，其具有优异的ORR 和OER 性能。当其用于水系锌电池时，其同时表现出锌-钴电池和锌-空电池行为。最后，以聚丙烯酰胺水凝胶 (PAM)为固态电解质，以富氧缺陷Co₃O_4-x 电极材料为正极，以电沉积锌为负极，制备了锌-空气/锌-钴杂化电池，其表现出优异的防水性能、机械性能以及电化学性能。该文章以“Flexible Waterproof Rechargeable Hybrid Zinc Batteries Initiated by Multifunctional Oxygen Vacancies-Rich Cobalt Oxide”为题发表在国际期刊ACS Nano上（影响因子：13.7）。

【图文导读】

图1. (a) 富氧缺陷Co₃O_4-x 的合成过程示意图；(b, c) Co₃O₄ 和Co₃O_4-x 的SEM照片；(d, e) Co₃O₄ 的 Co 2p和O 1s XPS 图谱；(f, g) Co₃O_4-x 的 Co 2p和O 1s XPS 图谱；

图2. (a)锌-空气/锌-钴杂化电池示意图；杂化锌电池的(b) CV曲线；(c)恒流充放电曲线；(d) 线性扫描电流曲线以及(e) 相应的功率输出曲线。锌-空气/锌-钴杂化电池的(f)恒流长时间放电曲线；(g, h) 恒流充放电稳定性测试。

图3. (a)两个串联固态锌-空气/锌-钴杂化电池的恒流充放电曲线；(b-d) 两个串联固态锌-空气/锌-钴杂化电池在无氧环境下工作，电量耗尽以及在有氧条件下重新工作的照片；(e-g) 固态电池作为表带在不同弯曲条件下工作的照片。

锌-空/锌-钴杂化电池（Zn-Co₃O_4-x）表现出优异的电化学性能以及可水洗特性的原因：（1） 通过简单的Ar-Plasma 处理Co₃O₄ 电极材料，得到富氧缺陷Co₃O_4-x电极材料，其具有较好的ORR 和OER催化性能，并且提升了锌-钴电池的性能；（2）以富氧缺陷的Co₃O_4-x 为正极，金属锌为负极，氢氧化钾溶液为 电解质制备Zn-Co₃O_4-电池，此电极集成了锌-空电池以及锌-钴电池的优点；（3）锌-空电池需要空气扩散出入，其正极电化学反应发生在气-固-液 三相界面。因此，电池正极需要具有防水透气能力。通过对Co₃O_4-x 正极疏水处理以及电池封装，制备了可水洗Zn-Co₃O_4-x杂化电池。

Longtao Ma, Shengmei Chen, Zengxia Pei, Hongfei Li, Zifeng Wang, Zhuoxin Liu, Zijie Tan†, Juan Antonio Zapien, and Chunyi Zhi*, Flexible Waterproof Rechargeable Hybrid Zinc Batteries Initiated by Multifunctional Oxygen Vacancies-Rich Cobalt Oxide, ACS Nano, 2018, DOI:10.1021/acsnano.8b04317.