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受人体毛细血管启发的柔性锂空气电池正极

近年来,可穿戴电子设备受到了人们的广泛关注,柔性质轻的储能器件已成为研究的主流,逐渐影响着人们的日常生活。金属空气电池具有低成本、环境友好和高能量密度等优点,被认为是理想的下一代储能系统,尤其锂空气电池,具有高达3600Wh/kg的理论能量密度,在研究中取得了不俗的进展。虽然应用前景良好,但当前大多的锂空电池仍不能满足柔性储能的需求,要么是正极材料的力学性能满足不了反复弯曲中电池容量的保留率,要么是正极材料的制备方式比较复杂,难以大规模有效生产。

近日,中科院长春应化所张新波研究员(通讯作者)在Advanced Energy Materials上发表最新研究成果“Blood-Capillary-Inspired, Free-Standing, Flexible, and Low- Cost Super-Hydrophobic N-CNTs@SS Cathodes for High- Capacity, High-Rate, and Stable Li-Air Batteries”。在该文中,研究者受人体毛细血管结构启发,在不锈钢网上原位生长氮掺杂碳纳米管(N-CNTs@SS)作为柔性自支撑电极材料。该材料中不锈钢网提供优异的力学性能多级N-CNT结构为不溶的放电产物提供足够的空间电子和气体可以在相互交联的N-CNT结构中自由穿行,其超疏水特性能防止水分侵入电池腐蚀负极金属锂。受以上协同作用影响,该材料具有非常优异的电化学性能,并且能够在空气中稳定运行。该研究为柔性锂空气电池的大规模应用特供了一个思路。论文的第一作者为该课题组杨晓阳博士。

受人体毛细血管启发的柔性锂空气电池正极

图1 材料制备示意图

受人体毛细血管启发的柔性锂空气电池正极

图2 a-c) N-CNTs@SS分别在700, 750, and 800 °C下的扫描电镜图;d) N-CNTs@SS在不同温度下的XRD衍射花样;e) C 1s和 f) N 1s在样品XPS表征中的分峰;g) N-CNT的透射电镜图;h) N-CNTs@SS的SEM EDS表征。

受人体毛细血管启发的柔性锂空气电池正极

图3 a) 五种正极材料在500 mA g−1电流密度下的放电容量; b) 三组不同正极材料在锂氧电池中的倍率性能; c) N-CNTs@SS材料在不同电流密度下的放电容量; d) 三种正极材料在锂氧电池中的充放电曲线; e) 三种正极材料在0.1 mV s−1扫描速率下的循环伏安图; f) N-CNTs@SS 在500 mA g−1电流密度下的循环性能(比容量限制为1000 mA h g−1); g) 三种正极材料在500 mA g−1电流密度下的终止放电电压。

受人体毛细血管启发的柔性锂空气电池正极

图4 a)N-CNTs@SS正极材料放电后的SEM图和 b) 放电产物放大SEM图(终止电压2.2V);c) N-CNTs@SS 正极再次充电后的SEM图, d) N-CNT正极材料放电后的SEM图和 e) 放电产物放大SEM图(终止电压2.2V);f) N-CNT正极再次充电后的SEM图。

受人体毛细血管启发的柔性锂空气电池正极

图5 a) 线型柔性锂空气电池在不同弯曲和扭结状态下点亮红色LED显示屏以及 b) 对应电压; c)线型柔性锂空气电池在几千圈弯曲后的充放电曲线;d) 柔性锂空气电池在0°到180°折叠时的开路电压;锂金属负极在43% RH下循环后的XRD衍射花样 e) 亲水性碳正极和 f) 超疏水N-CNTs@SS正极,插图为锂金属负极在循环后的SEM图。

在这项工作中,研究者受人体毛细血管结构启发,提出了一种新型柔性锂空气电池正极,该材料具有合适的多级结构、高电导率、优异的机械柔韧性和结构稳定性,制备方法温和,成本较低等特性,表现出优良的电化学性能,包括高比容量、良好的倍率性能和循环稳定性。而且,该材料显示出优异的超疏水特性,从而提高了电池器件在空气中的稳定性。该研究为柔性锂空气电池走向应用提供了一个可行的方式。

Xiao-Yang Yang, Ji-Jing Xu, Zhi-Wen Chang, Di Bao, Yan-BinYin, Tong Liu, Jun-Min Yan, Da-Peng Liu, Yu Zhang, Xin-Bo Zhang, Blood-Capillary-Inspired, Free-Standing, Flexible, and Low-Cost Super-Hydrophobic N-CNTs@SS Cathodes for High-Capacity, High-Rate, and Stable Li-Air Batteries, Adv. Energy Mater., 2018, 1702242, DOI:10.1002/aenm.201702242/abstract

张新波课题组介绍:

http://energy.ciac.jl.cn/default.asp

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