原位诱导硒基异质结构助力长循环柔性杂化锌电池

【研究背景】

碱性锌空电池具有高能量密度，但功率密度较低且不能在各种无氧环境中使用。而碱性锌基电池则具有高功率密度，并且可以在各种无氧环境中（真空，水下）工作，但相对低的能量密度限制其产业化应用。巧合的是，碱性锌空电池和碱性锌基电池使用相同的电解液体系和锌负极，因此可以将两者结合制备杂化锌电池。

整合了锌空电池和碱性锌基电池两者的优点，杂化锌电池展示出高能量密度，功率密度和宽的环境适应能力。要想获得高电化学活性和催化性能的杂化锌电池，设计具有高电子电导率、快电荷传递和充足的活性位点的多功能电极材料是最关键的三点。但是，目前报道的多功能正极材料主要是基于过渡金属氧化物和硫化物，这些材料由于大的体积膨胀和低的本征电导率会导致杂化锌电池的循环寿命和倍率性能较差。因此，探索新型的高电子电导率和丰富活性位点的多功能正极材料对杂化锌电池的发展有重要意义。

【工作介绍】

近日，松山湖材料实验室李洪飞副研究员和香港城市大学支春义教授合作，通过简单的原位电化学活化的策略，将无定形的NiOOH/CoOOH（NCH）均匀负载在高导电性的NiCoSe2 (NCS)表面，形成NCS@NCH异质结构，并首次作为杂化锌电池的多功能正极材料。该异质结构展示了四个特点：一、大的比表面积和多孔结构为Ni/Co法拉第反应和OER/ORR反应提供了丰富的活性位点；二、外层的NCH被均匀负载在高导电性的NCS骨架上，因此，整个异质结构的电子电导率被显著增强；三、该异质结构具有丰富多孔的结构，有利于电解液离子的快速传递；四、外层的NCH具有低的结晶度，展现出更好的催化性能和电化学性能。基于该异质结构多功能正极制备的柔性杂化锌电池展示出了两个充放电平台（Ni/Co氧化还原和OER/ORR反应），此外，该柔性杂化锌电池在各种环境中还展示出高的能量密度和长循环寿命（＞9000次）。该文章以长文形式（Full paper）发表在国际知名期刊Energy Storage Materials上，崔芒伟和白晓芳为本文的第一作者。

【全文解析】

图一、(a) 多孔镍钴硒纳米片的制备; (b) 杂化NCS//Zn电池的制备；(c) NCS正极的XRD表征；（d-g）多孔NCS正极的SEM、TEM和EDS图片；(h) NiCo2O4正极的SEM图片。

图二.、碱性NCS@NCH//Zn电池的电化学性能。归功于NCS@NCH独特的异质结构，NCS@NCH//Zn电池比NiCo₂O₄//Zn（NCO//Zn）电池展示出更高电化学性能和循环寿命。

图三、 碱性NCS@NCH//Zn电池的反应机理。

图四、柔性杂化NCS@NCH//Zn电池的电化学性能。基于NCS@NCH正极和聚丙烯酸钠水凝胶电解质，柔性的杂化NCS@NCH//Zn电池能够通过两步电化学反应（OER,ORR和Ni/Co法拉第反应）存储电荷。该柔性杂化电池展示出高的能量密度(944.8 Wh/Kg)和超长的循环寿命(密封：∼105.1%, 4000 循环；空气：100 h, 4 mA/cm²)。此外，该柔性杂化锌电池可以在各种供电场合中应用。

M. Cui; X. Bai; J. Zhu; C. Han; Y. Huang; L. Kang; C. Zhi; H. Li, Electrochemically Induced NiCoSe₂@NiOOH/CoOOH Heterostructures as a Multifunctional Cathode Material for Flexible Hybrid Zn Battery. Energy Storage Mater. 2021, DOI:10.1016/j.ensm.2021.01.015