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高性能可编织纤维状锌空电池:助力柔性储能系统发展

可穿戴电子设备使用的柔性储能系统近来受到科学界和工业界的广泛关注。锂离子电池和超级电容器作为当前主要的两种储能技术,由于其能量密度不足等问题无法满足柔性储能系统的要求——在有限的空间内提供足够高和足够长的能量供应。以金属锌作负极,空气中的氧气作为正极燃料的锌空电池具有高理论能量密度(1084 Wh/kg)、成本低等优点,被认为是下一代柔性储能系统的选择之一。然而,空气正极上氧还原与氧析出反应的速度、稳定性严重制约了锌空电池的实际能量密度、充放电稳定性、耐久性等性能。因而如何制备出高效、稳定的氧还原与氧析出双功能催化剂成为目前的研究重点。近来,原子级厚度的类石墨烯二维材料由于其独特的电子结构、比表面积大、活性位点多等优势受到科研工作者的追捧。因而,将碱性环境中双功能催化性能优异的Co3O4(四氧化三钴)材料类石墨烯化,并且与石墨烯有效的复合对于提升锌空电池性能具有重要意义。此外,一维纤维状结构具有优异的柔性、灵活性,能够编织成任意的与人体很好贴合的形状。综上,制备出高性能的可编织纤维状锌空电池对于柔性储能系统的发展有强烈的促进作用。

高性能可编织纤维状锌空电池:助力柔性储能系统发展

目前,天津大学钟澄邓意达胡文彬等人制备出一种高性能可编织纤维状锌空电池。首先,该课题组利用低成本的电极材料,连续、简单的工艺路径制备出一种可编织纤维状锌空电池。接着,为了提高可编织纤维状锌空电池的性能,该团队利用原位复合的方法在NrGO(氮掺杂氧化还原石墨烯)表面覆盖一层原子级厚度的介孔Co3O4纳米片。所制备的Co3O4/N-rGO复合纳米片表现出优异的双功能催化性能。研究发现,原位复合能够提高Co3O4的导电性,使得催化反应过程中电子传输的速度加快。而且,复合材料的电子结构也因为Co3O4纳米片与N-rGO纳米片之间强烈的耦合作用、协同作用而发生改变,利于加快氧介质的吸附/脱附过程。此外,复合材料的原子级厚度、介孔特性利于暴露更多的活性位点和促进传质过程。以Co3O4/N-rGO复合纳米片作为空气正极催化剂的柔性纤维状锌空电池表现出优异的充放电性能,在3 mA/cm3的充放电电流密度下,放电电压1.2 V, 充电电压2 V,能量效率达到60%。此外,高达649 Wh/kg 的质量能量密度和36.1 mWh/cm3的超高体积能量密度也满足高能量密度柔性储能系统的要求。为了进一步验证制备的柔性纤维状锌空电池的可编织性,该团队进行了一系列的演示工作。结果发现,编入织物中的柔性纤维状锌空电池依然能够正常工作,表现出良好的抗外力破坏性能。更加令人兴奋的是,编入织物中的柔性纤维状锌空电池通过串并联连接得到的电池组能够驱动LED 电子手表,给LED显示屏充电和给iPhone手机充电。

相关工作以Inside back cover的形式发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201703657) 上,第一作者是天津大学材料科学与工程系博士生李映波

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