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
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發(fā)布日期：2018-03-28
核心提示：
可穿戴電子設(shè)備使用的柔性儲能系統(tǒng)近來受到科學(xué)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(dāng)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(yīng)。
可穿戴電子設(shè)備使用的柔性儲能系統(tǒng)近來受到科學(xué)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(dāng)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(yīng)。以金屬鋅作負(fù)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(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)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(yīng)的速度、穩(wěn)定性嚴(yán)重制約了鋅空電池的實(shí)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(diǎn)。近來，原子級厚度的類石墨烯二維材料由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、比表面積大、活性位點(diǎn)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(fù)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(qiáng)烈的促進(jìn)作用。
目前，天津大學(xué)鐘澄、鄧意達(dá)、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(tuán)隊利用原位復(fù)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(fù)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(fù)合能夠提高Co3O4的導(dǎo)電性，使得催化反應(yīng)過程中電子傳輸?shù)乃俣燃涌?。而且，?fù)合材料的電子結(jié)構(gòu)也因?yàn)镃o3O4納米片與N-rGO納米片之間強(qiáng)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(fù)合材料的原子級厚度、介孔特性利于暴露更多的活性位點(diǎn)和促進(jìn)傳質(zhì)過程。以Co3O4/N-rGO復(fù)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(dá)到60%。此外，高達(dá)649Wh/kg的質(zhì)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(tǒng)的要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證制備的柔性纖維狀鋅空電池的可編織性，該團(tuán)隊進(jìn)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(jī)充電。
相關(guān)工作以Insidebackcover的形式發(fā)表在AdvancedMaterials(DOI:10.1002/adma.201703657)上，第一作者是天津大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士生李映波。