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支春义:富氧缺陷Co3O4-x用于锌-空/锌-钴杂化电池

【前言】

锌-空气电池以高能量密度著称,其理论能量密度可达1370Wh/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(>1.8V)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Co3O4-x和锌配对,组成的Zn-Co3O4-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Co3O4-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Co3O4-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】

支春义:富氧缺陷Co3O4-x用于锌-空/锌-钴杂化电池

图1. (a) 富氧缺陷Co3O4-x的合成过程示意图;(b, c) Co3O4Co3O4-x的SEM照片;(d, e) Co3O4的Co 2p和O 1s XPS 图谱;(f, g) Co3O4-x的Co 2p和O 1s XPS 图谱;

支春义:富氧缺陷Co3O4-x用于锌-空/锌-钴杂化电池

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。

支春义:富氧缺陷Co3O4-x用于锌-空/锌-钴杂化电池

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-Co3O4-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;2)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;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。

 

Longtao Ma, Shengmei Chen, Zengxia Pei, Hongfei Li, Zifeng Wang, Zhuoxin Liu, Zijie Tang, 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

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