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锌-钴,锌-氧;鱼和熊掌;可兼得乎?

1.  研究背景

锌-空气电池又称锌-氧电池,是一种以空气为正极,锌为负的的一种电池。由于其正极活性物质是空气中的氧,它是取之不尽用之不竭的,理论上讲,其正极的电池容量是无限的。其次,正极的活性物质在电池之外,这使得电池空间中可以填充充足的负极活性物质。因此,同样的电池体积条件下,锌空气电池的能量很高。

 

锌空气电池的功率密度,能量密度以及可充放电性能主要取决于正极材料的催化性能(氧还原(ORR)及析氧(OER))。其次,锌-空气电池的输出电压较低,基于电池的氧化还原反应:

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其理论输出电压为1.66 V, 实际输出电压一般为1.1 – 1.3 V. 最后,锌-空气电池是半开放体系,必须在有空气的条件下才能工作,这很大限制的锌-空气电池的应用。

 

2016 年,Lijun Fu组报道了锌-钴(Co3O4)电池(Adv. Mater. 2016, 28, 4904 – 4911.)。在水系锌基电池中,锌-钴电池具有工作电压高(>1.8 V)、容量大以及易于制备等特点。重要的是,相比锌-空气电池,其是封闭体系,可以在多种环境下使用,包括无氧条件。但是,锌-钴电池能量密低以及有限的能量储存能力导致其不能对电子设备长期、持续供电。

 

2.    研究出发点

锌-空气电池具有较高的能量密度,但是输出电压低,必须在有空气的条件下工作。锌-钴电池具有较高的输出电压,可以在无氧环境条件下工作,但是,其能量密度低,不能持续输出能量。如果能将两者结合,可以达到鱼和熊掌兼得的效果。即电池既具有可持续、长时间输出能量的特性又具有电压高、多种环境下使用的特点。锌-空气电池和锌-钴电池的负极都是用金属锌作为电极,电解液都可用氢氧化钾(KOH)溶液。我们就要重点解决的问题为电池正极材料。要让电池同时具有锌-空气电池和锌-钴电池的特性,电池正极材料必须可以同时发生电催化反应:

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以及法拉第氧化还原反应

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我们制备的Co3O4 材料本身就可用于锌-钴电池,本课题的关键是,如何让所制备的Co3O4材料同时具有较好的ORR 和OER 催化活性。

 

近年来很多文章报道了通过各种方法制造氧缺陷来增强催化剂的氧还原(ORR)以及析氧(OER)催化性能。例如:Shuangyin Wang课题组通过Ar – Plasma 处理碳布来增强碳布的OER 和ORR性能(Adv. Mater. 2017, 29, 1606207);Xiangfeng Liu 课题组通过在Co3O4中制造缺陷增强其ORR和OER 性能,用于高性能锂-空气电池(ACS Catal. 2017, 7, 6533−6541)。我们通过简单的Ar-Plasma 处理Co3O4 来增强其ORR以及OER 性能,从此提高锌-空气电池的性能,并且增强了锌-钴电池性能。

 

3. 文章创新点

A.   通过简单的Ar – Plasma 处理Co3O4电极材料,得到富氧缺陷Co3O4-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;

 

B.   以富氧缺陷的Co3O4-x为正极,金属锌为负极,氢氧化钾溶液为电解质制备Zn-Co3O4-x 电池,此电极集成了锌-空电池以及锌-钴电池的优点;

 

C.   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Co3O4-x正极疏水处理以及电池封装,制备了可水洗Zn-Co3O4-x  杂化电池。

 

4. 图文导读

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图1. 富氧缺陷Co3O4-x 电极材料的制备及其表征。

 

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图2. 富氧缺陷Co3O4-x电极材料的ORR 以及OER 性能。

 

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图3. Zn-Co3O4-x电池在无氧条件下的电化学性能。

 

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图4. 杂化Zn-Co3O4-x 电池的电化学性能以及电池的可水洗特性测试。

 

5. 文献

Ma, L.; Chen, S.; Pei, Z.; Li, H.; Wang, Z.; Liu, Z.; Tang, Z.; Zapien, J.; Zhi, C., Flexible Waterproof Rechargeable Hybrid Zinc Batteries Initiated by Multifunctional Oxygen Vacancies – Rich Cobalt Oxide. ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021 /acsnano.8b04317.

6. 课题组介绍

香港城市大学支春义教授课题组主要从事柔性储能器件的相关研究。对柔性电池研究集中在基于水系电解质电池的柔性化和高性能化,而对柔性超级电容器的研究集中在对其功能性的增强和拓展上。课题组的研究特色是对功能性水凝胶电解质的开发,并将其用到各种柔性储能器件中,实现器件高性能和多功能化。

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