华南理工黄建林课题组Adv. Funct. Mater.:柔性一体化电极结构设计助力固态锌-空气电池

【引言】

    可充电锌-空气电池ZABs)以其高的理论能量密度(1086 Wh kg-1),良好的安全性,环境友好性以及低成本,被认为是最具潜力的下一代储能器件。然而,在空气电极端氧还原和氧析出反应(ORR-OER)的缓慢的动力学严重限制ZABs的实际应用。当前大量的研究均致力于提升电催化剂的催化活性来加速空气电极反应的速率。空气电极的催化性能取决于电极中催化剂暴露的活性位点总量。因此,提升性能常用的方法是开发具有更高本征活性的催化剂或者是提升催化剂的负载量。在催化剂的本征活性和负载量一定的情况下,提升单位面积内活性位点的暴露量也是提升空气电极催化活性的一种有效的手段。通过优化空气电极的结构设计能够有效的提升催化剂在导电基底上的分散程度,减少团聚带来的活性死区,从而实现催化剂性能及电池性能的改善。

    此外,相比于常规的水系锌空电池,柔性可充锌空气电池除了存在上述技术难题之外,还需要解决如何将高催化活性的双功能催化剂制备成兼具高柔性和高稳定性的空气电极的问题。目前,导电碳布可以实际规模化应用的柔性空气电极基底材料,不过其存在制备工艺复杂、成本高昂、厚度较大、力学性能不足等问题。导电碳布的厚度(0.2~1.0mm)较大,在催化剂负载量有限的条件下,会造成可充电锌空气电池的能量密度较低。导电碳布的弯曲性能较差、强度较低,会影响其在柔性操作状态下的使用寿命。可见,导电碳布在实际应用过程中存在诸多问题,限制了其进一步发展应用。因此,开发一种轻质、高柔性、高导电性、高力学性能、成本低廉的柔性空气电极迫在眉睫。

【成果简介】

    基于以上问题,华南理工大学黄建林团队从结构工程出发设计出一种柔性自支撑一体化空气电极。该空气电极以高导电的碳纳米管宏观膜作为基底,在其表面引入含氧官能团,实现催化剂的强耦合原位生长。碳纳米管宏观膜提供了优异的导电性能和力学性能,生长出的钴氮碳纳米管催化剂与碳纳米管基底化学螯合;同时多孔3D结构能够充分暴露出更多的活性位点,提供了极佳的ORR和OER性能,该电极的ORR半坡电位高达0.86 V,OER过电位为310 mV (10 mA cm-2) Tafel 斜率仅为61.3 mV dev-1。为验证其双功能催化活性,将其组装成水系可充锌空电池,其峰值功率密度为133 mW cm-2,比容量为777.0 mAh g-1,能量密度为928.1 Wh KgZn-1,经过190 h的充放电循环,电池性能保持稳定。进一步组装成柔性固态锌空气电池,其开路电压为1.4 V,其峰值功率密度为26.5 mW cm-2,在1 mA cm-2的电流密度下,经过0o,90o,180o的弯曲测试,经过9 h的充放电循环电池性能保持稳定。

【图文导读】

华南理工黄建林课题组Adv. Funct. Mater.:柔性一体化电极结构设计助力固态锌-空气电池 图1. Co/N@CNTs@CNMF柔性一体化电极的制备示意图。

华南理工黄建林课题组Adv. Funct. Mater.:柔性一体化电极结构设计助力固态锌-空气电池图2. Co/N@CNTs@CNMF空气电极的形貌结构表征。Co/N@CNTs@CNMF-800的a-b) SEM截面图;c) SEM顶视图;d-g, i) TEM图;h) SAED图; i)Mapping图。

华南理工黄建林课题组Adv. Funct. Mater.:柔性一体化电极结构设计助力固态锌-空气电池图3. Co/N@CNTs@CNMF空气电极的物性表征。a) XRD图;b) Raman图;c) BET曲线及孔径分布;XPS分析d-e) N1s及N含量;f) Co 2p。

华南理工黄建林课题组Adv. Funct. Mater.:柔性一体化电极结构设计助力固态锌-空气电池图4. Co/N@CNTs@CNMF空气电极的ORR和OER催化性能表征。ORR的性能a) LSV曲线;b) K-L曲线;c) 长期稳定性。OER性能d) LSV曲线;e) Tafel曲线;f) ORR半坡电位与OER电位(10 mA cm-2)的电位差。

华南理工黄建林课题组Adv. Funct. Mater.:柔性一体化电极结构设计助力固态锌-空气电池图5. Co/N@CNTs@CNMF空气电极组装成的水系锌空电池性能。a)水系锌空电池装置示意图;b) 开路电压;c) 功率密度;d) 比容量;e) 10 mA cm-2下循环稳定性。

华南理工黄建林课题组Adv. Funct. Mater.:柔性一体化电极结构设计助力固态锌-空气电池图6. Co/N@CNTs@CNMF空气电极构建的柔性锌空电池性能。a)柔性锌空电池装置示意图;b) 开路电压;c) 功率密度;d) 1 mA cm-2下不同弯曲角度下循环稳定性;e) 两节电池串联点亮柔性发光手环的数码照片。

【结论】

    本文通过结构工程策略成功地将Co/N@CNTs原位地生长在CNMF基底上构建了柔性一体化电极Co/N@CNTs@CNMF,基于该电极材料(Co/N@CNTs@CNMF-800)进一步组装成柔性固态锌空气电池,展示了优异的电化学性能和柔性、可穿戴电子器件的潜在应用前景。

Ting Liu, Jirong Mou, Ziping Wu, Chao Lv, Jianlin Huang, Meilin Liu, A Facile and Scalable Strategy for Fabrication of Superior Bifunctional Freestanding Air Electrodes for Flexible Zinc–Air Batteries, Advanced Functional Materials, 2020, 2003407, DOI:10.1002/adfm.202003407

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参考文献:Advanced Functional Materials