本征400%可拉伸和50%可压缩NiCo//Zn电池

本征400%可拉伸和50%可压缩NiCo//Zn电池本文亮点:
1. 聚丙烯酸钠水凝胶电解质具有良好的离子导电性,优异的拉伸性和可压缩性。其提供比传统聚合物电解质高2至3个数量级的离子电导率,并且具有最高1700%的拉伸形变。
2. 通过在碳管纸上贴低成本金箔(每平方厘米0.0168美元),在不影响电极基底的柔性下,提高了电极基底的导电性。
3. 本文中制备的NiCo//Zn电池具有本征的可拉伸性(400%应变,容量提高)和可压缩性(50%应变,容量保持良好)。在拉伸500个循环和压缩1500个循环后,电池仍然能够分别保持其初始容量的87%和97%。
【前沿部分】
可拉伸和可压缩器件的设计是柔性能源设备和软机器人等现代电子设备的关键要素。研究人员已经开发出具有高拉伸性和可压缩性的超级电容器。然而,由于缺乏可拉伸和可压缩的高性能电解质以及高导电柔性电极,有关具有本征拉伸性和可压缩性的电池的报道较少。水系可充电电池由于其本征的安全性和低成本引起了许多研究人员的兴趣。在这些电池中,Ni//Zn电池有1.8V的输出电压,比许多其它水系电池要高。由于过渡金属离子之间的协同作用,双金属(Ni,Co)氢氧化物具有优于单个金属对应物的容量和更高的能量密度。由于这些电池比超级电容器具有更高的容量,因此它们对电解质的离子电导率和电极的电导率提出了更高的要求。另外,为了在电池器件水平上实现本征的可拉伸性和可压缩性,电解质必须是可拉伸和可压缩的,并且电极必须具有柔韧性。最近,哈尔滨工业大学(深圳)的黄燕教授课题组通过在碳管纸上贴金箔的方法制备了柔性且具有高导电性的电极基底,并且通过在电极上电沉积NiCoO和Zn制备电极材料,以上述NiCoO@Au@CNT纸和Zn@Au@CNT纸为正极和负极,含氢氧化钾和醋酸锌混合溶液的PANa水凝胶为电池电解质,通过预拉伸的方法制备了可拉伸到400%应变的NiCoO//Zn电池。同时由于PANa水凝胶具有很好的韧性,电池也可以压缩高达50%的应变,并保持良好的容量。该文章发表在Nano Energy上,第一作者为硕士研究生刘杰。
【核心内容】
通过用氢氧化钠中和丙烯酸,在冰浴中合成丙烯酸钠。然后在过硫酸铵作为引发剂的情况下,聚合制备的丙烯酸钠以形成聚丙烯酸钠(PANa)水凝胶。将聚合后的PANa水凝胶干燥,然后浸泡在KOH和Zn(CH3COO)2的混合溶液中(图1a)。水凝胶中含有的高浓度离子使水凝胶成为电池的优良电解质。此外,我们通过在CNT纸上贴上商业化的低成本的金箔制备高导电性的电极基底(图1b)。通过提高电极基底的导电性,能促进镍钴氢氧化物和锌纳米片的均匀电沉积。为了制备可拉伸电池,首先将PANa凝胶电解质预拉伸至400%的应变,然后将NiCo@Au@CNT纸和Zn@Au@CNT纸电极贴在拉伸后的水凝胶的两面。释放后,在两个电极上形成波状结构(图1c)。另外,通过使用夹具在水凝胶的两侧施加力以获得电池的不同压缩应变,发现电池最高能达到50%的压缩应变(图1d)。
本征400%可拉伸和50%可压缩NiCo//Zn电池 图1. PANa聚电解质的制备、Au@CNT纸、本征可拉伸和可压缩的NiCo//Zn电池。a) 由丙烯酸单体(AA,主要单体)、氢氧化钠溶液(NaOH,中和剂)、过硫酸铵(APS,引发剂)、氢氧化钾(KOH,离子源)和乙酸锌(Zn(CH3COO)2,离子源)制备PANa水凝胶电解质。b) 在CNT纸上贴Au箔的示意图(插图为CNT纸和Au@CNT纸的SEM图像。比例尺:500 nm)。c) 本征可拉伸电池的示意图。d) 本征可压缩电池的示意图。
制备好的电池显示出典型的不同扫描速率下的CV和不同电流密度下的GCD曲线(图2a,b)。电化学阻抗谱测量(图2c)显示电池具有小的体电阻,部分原因在于高导电的Au@CNT纸电极。此外,奈奎斯特图中半圆的直径表明电池具有低的电荷转移电阻。速率稳定性通过在11.3 C至113 C的各个倍率下测量(图2d)。在56.5 C和113 C(1 C = 252mA/g)的高倍率下,电池分别提供80mAh/g和79mAh/g的稳定放电容量。在113 C下循环后,电池在11.3 C下平均放电容量回复到84mAh/g(初始平均值为86 mA/g)。
本征400%可拉伸和50%可压缩NiCo//Zn电池图2. NiCo//Zn电池的电化学性能。a) 从1到10 mV/s扫描速率下的CV曲线。b) 电流密度从2.3(9.1 C)到23A/g(91 C)的GCD曲线。c) NiCo//Zn电池的阻抗测试。d) 在11.3 C至113 C的各种倍率下的倍率稳定性。e)循环性能。
在23 A g-1电流密度下,随着应变增加至400%,容量增强到初始值的1.3倍(图3a,b)。另外,电池可以实现50%的压缩,并且在0至50%的各种压缩应变下电池的充放电性能得到很好的保持(图3c)。在将电池从0%压缩至50%的过程中,电池容量略微增加至其初始容量的109%(图3d)。
本征400%可拉伸和50%可压缩NiCo//Zn电池图3. 可拉伸和可压缩电池充放电性能。a) 在23A/g下从0到400%应变的GCD曲线。b)不同拉伸应变的容量增强比,(插图是处于0%和400%应变的电池正面照片。)c) GCD曲线在23A/g处从0到50%应变。d) 不同压缩应变的容量保持率。(插图是处于完全卸载状态和50%应变的电池侧面照片。)
由于波浪状电极和PANa水凝胶的良好拉伸性,电池在拉伸下表现出稳定的充放电性能(图4a)。在500次循环后,该电池保留了其初始容量的87%(图4b)。如图4c所示,电池的初始容量为71.8mAh/g,在1500个压缩循环期间几乎重合的GCD曲线表明其稳定的充放电性能(图4c)。在压缩循环1500次后,电池保持了97%的初始容量(图4d)。
本征400%可拉伸和50%可压缩NiCo//Zn电池图4. 拉伸和压缩下电池的循环性能。a) 在23A/g电流密度下不同拉伸次数后电池的GCD曲线。b) 在不同拉伸次数后的容量保持率。c) 在23A/g的电流密度下不同压缩次数后的GCD曲线。d) 在不同压缩次数后的容量保持率。
我们通过使用PANa水凝胶电解质和Au@CNT纸来制备了本征可拉伸和可压缩的电池。受益于PANa水凝胶电解质的良好离子导电性,超拉伸性和高压缩性,以及Au@CNT纸的高导电性,制备方法简单的NiCo//Zn电池具有本征可拉伸性(高达400%应变,容量增强)和可压缩性(高达50%的应变,保持良好的容量)。在拉伸500个循环和压缩1500个循环后,该电池分别保持其初始容量的87%和97%。
材料制备过程
PANa水凝胶电解质的合成:首先在0℃冰浴中剧烈搅拌下将丙烯酸单体(AA 48g)加入去离子水(54g)中。将氢氧化钠(NaOH 26.7g)溶解在去离子水(18g)中。将制备好的NaOH溶液缓慢滴加入上述丙烯酸单体溶液中。然后将过硫酸铵(APS 0.78g)加入到中和的溶液中并搅拌0.5小时。磁力搅拌后,将溶液在N2下脱气以除去溶解的氧。接下来,将溶液放入40 ℃的烘箱中30小时聚合。最后,将制备好的水凝胶放入100℃的烘箱中充分烘干,然后浸泡在6 M氢氧化钾(KOH,)和0.2 M乙酸锌(Zn(CH3COO)2)的浓溶液中,让其吸收电解液,从而获得PANa水凝胶电解质。
NiCoOH 和Zn电极的制备:NiCoOH通过在室温下5 mM硝酸镍和5 mM硝酸钴的混合溶液中,以-1 V(相对于Ag/AgCl电极)的电压电沉积在Au@CNT纸上。在室温下1 M硫酸锌溶液中,以-0.8 V(相对于锌片)的电压将Zn电沉积在Au@CNT纸上。
Jie Liu, Mengmeng Hu, Jiaqi Wang, Ningyuan Nie, Yueyang Wang, Yukun Wang, Jiaheng Zhang, Yan Huang, An intrinsically 400% stretchable and 50% compressible NiCo//Zn battery, Nano Energy, 2019, DOI:10.1016/j.nanoen.2019.01.028

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参考文献:Nano Energy