阵列助传输，碳基增韧性－高性能锌空极材料可规模化制备方法

【研究背景】

随着社会的不断发展，人们对电子产品的要求越来越高，便携式、可弯曲及可穿戴的柔性电子设备日益受到消费者们的推崇。为满足柔性电子设备的市场需求，亟需研发出轻便、高比能、柔性的储能器件。近年来，锌-空气电池因具有高的能量密度（1086 Wh kg−1），使用廉价的金属锌和高安全性的水系电解液，而受到人们的广泛关注。锌-空气电池的性能与空气极催化剂的氧还原反应（ORR，对应于放电过程）和氧析出反应（OER，对应于充电过程）密切相关。碳材料，因质轻价廉而被广泛应用于金属-空气电池中。其中，过渡金属、氮共掺杂的碳纳米管，具有丰富的活性位点、独特的结构特征，较高的比表面积，被认为是最理想的空气极催化材料。虽然该类催化剂已有文献报道，但通常是基于先合成催化剂粉体然后涂覆在气体扩散层上构筑空气极，这样不仅易导致催化剂脱落，也容易导致催化剂堆叠聚集而降低其有效催化活性。因此，研究使用简单的方法直接在气体扩散层上原位构筑过渡金属、氮掺杂碳纳米管阵列，将为柔性锌-空气电池的规模化应用提供保障。

【成果介绍】

近日，南京工业大学廖开明副教授和邵宗平教授报道了一种直接在碳纤维布表面生长钴、氮共掺杂碳纳米管阵列的方法。先以酸处理获得多孔碳纤维布作为气体扩散层吸附钴离子，以双氰胺为碳氮源，通过气相化学沉积法原位生长钴、氮掺杂的碳纳米管阵列。所制得的空气极（碳纤维布+钴、氮掺杂的碳纳米管阵列）不仅具有很好的柔韧性，也具有高的比表面积（140 m2/g），为ORR和OER过程提供丰富的催化活性位点。使用该空气极直接作锌-空气电池正极，其最高功率密度可达172 mW/cm2，且在2 mA cm-2的电流密度下循环100小时后充放电极化仅为0.6 V，表现出较好的充放电性能；在放电电流密度高达50 mA cm-2时，其放电电压仍保持在1.1 V以上，表现出优异的倍率性能。此外，结合该柔性空气极、KOH-PEO凝胶电解质和锌箔组装“准固态”锌-空气电池，得到其开路电压为1.42 V，在连续弯曲180度之后仍可保持稳定的充放电性能，证明其优异的柔韧性。同时，在2 mA cm-2电流密度下经过30小时的充放电循环之后，充放电极化电压差也仅有0.67 V，证明该柔性空气极在锌-空气电池中具有较好的应用前景。该阵列结构的空气极相比于传统的非阵列结构的空气极（如上图），优点主要表现在：1）阵列结构的碳纳米管有利于氧气和电解液在催化剂表面的自由输运；2）碳纤维布表面原位生长的催化剂可以实现电子传输路径最小化，从而提高电池的倍率性能；3）催化剂原位生长在碳纤维布上，具有很好的机械结合力，催化剂不易脱落，有利于提高电池的循环稳定性，尤其是在连续弯折的极端条件下。

该研究工作得到了国家重点研发计划（No. 2018YFB0905400）、国家自然科学基金（No. 51802152）、江苏省自然科学基金（No. BK20170974）、江苏省高等学校优先发展学术计划的大力资助（PAPD）。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

Direct Growth of Ordered N-Doped Carbon Nanotube Arrays on Carbon Fiber Cloth as a Free-Standing and Binder-Free Air electrode for Flexible Quasi-Solid-State Rechargeable Zn-Air Batteries

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.50

DOI:10.1002/cey2.50

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