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高性能可編織纖維狀鋅空電池:助力柔性儲能系統(tǒng)發(fā)展

2018-03-28 14:41:30 Materilasviews  點擊量: 評論 (0)
可穿戴電子設備使用的柔性儲能系統(tǒng)近來受到科學界和工業(yè)界的廣泛關(guān)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(shù),由于其能量密度

可穿戴電子設備使用的柔性儲能系統(tǒng)近來受到科學界和工業(yè)界的廣泛關(guān)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(shù),由于其能量密度不足等問題無法滿足柔性儲能系統(tǒng)的要求——在有限的空間內(nèi)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(1084 Wh/kg)、成本低等優(yōu)點,被認為是下一代柔性儲能系統(tǒng)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(wěn)定性嚴重制約了鋅空電池的實際能量密度、充放電穩(wěn)定性、耐久性等性能。因而如何制備出高效、穩(wěn)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(jié)構(gòu)、比表面積大、活性位點多等優(yōu)勢受到科研工作者的追捧。因而,將堿性環(huán)境中雙功能催化性能優(yōu)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(jié)構(gòu)具有優(yōu)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(tǒng)的發(fā)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(xù)、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(xiàn)出優(yōu)異的雙功能催化性能。研究發(fā)現(xiàn),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?shù)乃俣燃涌臁6遥瑥秃喜牧系碾娮咏Y(jié)構(gòu)也因為Co3O4納米片與N-rGO納米片之間強烈的耦合作用、協(xié)同作用而發(fā)生改變,利于加快氧介質(zhì)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(zhì)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(xiàn)出優(yōu)異的充放電性能,在3 mA/cm3的充放電電流密度下,放電電壓1.2 V, 充電電壓2 V,能量效率達到60%。此外,高達649 Wh/kg 的質(zhì)量能量密度和36.1 mWh/cm3的超高體積能量密度也滿足高能量密度柔性儲能系統(tǒng)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(jié)果發(fā)現(xiàn),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(xiàn)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(lián)連接得到的電池組能夠驅(qū)動LED 電子手表,給LED顯示屏充電和給iPhone手機充電。

相關(guān)工作以Inside back cover的形式發(fā)表在Advanced Materials(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。

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