高性能可編織纖維狀鋅空電池：助力柔性儲能系統發展
光伏產業網訊
發布日期：2018-03-28
核心提示：
可穿戴電子設備使用的柔性儲能系統近來受到科學界和工業界的廣泛關注。鋰離子電池和超級電容器作為當前主要的兩種儲能技術，由于其能量密度不足等問題無法滿足柔性儲能系統的要求——在有限的空間內提供足夠高和足夠長的能量供應。
可穿戴電子設備使用的柔性儲能系統近來受到科學界和工業界的廣泛關注。鋰離子電池和超級電容器作為當前主要的兩種儲能技術，由于其能量密度不足等問題無法滿足柔性儲能系統的要求——在有限的空間內提供足夠高和足夠長的能量供應。以金屬鋅作負極，空氣中的氧氣作為正極燃料的鋅空電池具有高理論能量密度（1084Wh/kg）、成本低等優點，被認為是下一代柔性儲能系統的選擇之一。然而，空氣正極上氧還原與氧析出反應的速度、穩定性嚴重制約了鋅空電池的實際能量密度、充放電穩定性、耐久性等性能。因而如何制備出高效、穩定的氧還原與氧析出雙功能催化劑成為目前的研究重點。近來，原子級厚度的類石墨烯二維材料由于其獨特的電子結構、比表面積大、活性位點多等優勢受到科研工作者的追捧。因而，將堿性環境中雙功能催化性能優異的Co3O4（四氧化三鈷）材料類石墨烯化，并且與石墨烯有效的復合對于提升鋅空電池性能具有重要意義。此外，一維纖維狀結構具有優異的柔性、靈活性，能夠編織成任意的與人體很好貼合的形狀。綜上，制備出高性能的可編織纖維狀鋅空電池對于柔性儲能系統的發展有強烈的促進作用。
目前，天津大學鐘澄、鄧意達、胡文彬等人制備出一種高性能可編織纖維狀鋅空電池。首先，該課題組利用低成本的電極材料，連續、簡單的工藝路徑制備出一種可編織纖維狀鋅空電池。接著，為了提高可編織纖維狀鋅空電池的性能，該團隊利用原位復合的方法在NrGO（氮摻雜氧化還原石墨烯）表面覆蓋一層原子級厚度的介孔Co3O4納米片。所制備的Co3O4/N-rGO復合納米片表現出優異的雙功能催化性能。研究發現，原位復合能夠提高Co3O4的導電性，使得催化反應過程中電子傳輸的速度加快。而且，復合材料的電子結構也因為Co3O4納米片與N-rGO納米片之間強烈的耦合作用、協同作用而發生改變，利于加快氧介質的吸附/脫附過程。此外，復合材料的原子級厚度、介孔特性利于暴露更多的活性位點和促進傳質過程。以Co3O4/N-rGO復合納米片作為空氣正極催化劑的柔性纖維狀鋅空電池表現出優異的充放電性能，在3mA/cm3的充放電電流密度下，放電電壓1.2V,充電電壓2V，能量效率達到60%。此外，高達649Wh/kg的質量能量密度和36.1mWh/cm3的超高體積能量密度也滿足高能量密度柔性儲能系統的要求。為了進一步驗證制備的柔性纖維狀鋅空電池的可編織性，該團隊進行了一系列的演示工作。結果發現，編入織物中的柔性纖維狀鋅空電池依然能夠正常工作，表現出良好的抗外力破壞性能。更加令人興奮的是，編入織物中的柔性纖維狀鋅空電池通過串并聯連接得到的電池組能夠驅動LED電子手表，給LED顯示屏充電和給iPhone手機充電。
相關工作以Insidebackcover的形式發表在AdvancedMaterials(DOI:10.1002/adma.201703657)上，第一作者是天津大學材料科學與工程系博士生李映波。