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AdvancedEnergy 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 forHigh- 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。

图1 材料制备示意图

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。

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。

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。

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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