環境沐鸣2喬錦麗教授團隊在《應用催化B-環境》發表柔性鋅空氣電池的最新研究成果

近日🙆🏽‍♂️，我校沐鸣2官网喬錦麗教授團隊在柔性鋅空氣電池領域取得新突破，相關成果以“Flexible self-supported bi-metal electrode as a highly stable carbon- and binder-free cathode for large-scale solid-state zinc-air batteries”為題，發表於環境能源領域著名期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118953, 影響因子14.229），該論文第一作者是沐鸣2官网徐能能博士🍖，目前在美國University of Louisiana at Lafayette進行博士後研究。

近年來，隨著可穿戴電子設備、智能手環、柔性顯示器等應用領域的迅速發展🐅，柔性鋅-空氣電池由於能量密度高、成本低🎚、安全性好以及柔韌性好等優點的越來越受到人們的關註，已然成為一種極具發展前景且可行高的電化學能源存貯與轉化的設備。然而，柔性鋅-空氣電池的商業化開發依然面臨嚴峻的形勢👦。與水系鋅-空氣電池類似，可充式柔性鋅-空氣電池在充放電過程的氧還原(ORR)和氧析出反應(OER)直接決定了電池的發電功率🚪、充放電性能以及循環穩定性等性能。因此，高效♙、低成本的雙功能催化柔性電極的開發是發展柔性鋅-空氣電池的關鍵技術之一。

(圖1 柔性電極催化過程示意圖及其在鋅空氣電池上的應用)

喬錦麗教授課題組針對以上方面開展了相關研究，通過一種簡單穩定的電沉積-電化學原位氧化耦合法，實現了鎳原子摻雜的Co₃O₄納米片陣列在泡沫鎳表面的原位生長，製備出一種無碳📣👨🏻‍🚒、無粘結劑的柔性雙功能空氣電極。該電極不僅具備了泡沫鎳的高導電性、豐富氣體傳輸通道以及強機械強度等固有優勢，同時協同了(Ni, Co)₃O₄材料的ORR和OER催化性能👩🏻‍🦳。同時🚑，該工作采用SCN^-離子作為分子探針，有效揭示了柔性氧電極的活性位點及其催化機製，並由密度泛函理論（DFT）進一步驗證🤞🏻。基於以上特性，該雙功能柔性電極表現出優異的催化活性以及電池性能🐖，其能量密度高達2268 mWh/cm³👊🏽。

(圖2 (a)催化劑ORR活性對比及其 (b) ORR反應機製🛀🏼；(c)催化劑OER活性對比及其 (d) OER反應機製)

論文作者告訴記者，目前柔性鋅-空氣電池的研究還集中在小面積空氣電極（0.5-8 cm²）的研究與設計上🧗🏼🧖🏿‍♂️，大面積自支撐電極的開發與製備還處於空白。因此，大面積電極材料的研究是實現柔性鋅-空氣電池商業化開發的關鍵。為此👨‍🦳，小組研究成員基於課題組近6年來在鋅空氣電池領域的研究基礎，進行了無數次嘗試與實踐，成功地在泡沫鎳金屬表面沉積了超薄(Ni, Co)₃O₄納米片👩🏻‍⚕️，構建了超薄(Ni, Co)₃O₄納米片陣列的泡沫鎳雙功能氧催化電極。該電池面積可達100 cm²，同時具備以下優勢：1）無需額外添加的非導電高分子結合劑，減小了電極的界面阻力，提高電池的導電性；2）避免了非導電高分子結合劑造成活性面積下降的問題；3）規避了催化劑粉體在常規物理沉積方法製備空氣電極遇到的團聚問題👱🏽，實現了材料均勻在導電載體的生長，提高OER和ORR性能；3）高強度的化學界面有效緩解了催化劑與擴散層的脫離；4）避免傳統碳材料作為導電材料會在高電勢下會發生碳降解，提高電池的穩定性🐂；5）柔韌性好🏄‍♀️，可滿足柔性鋅-空氣電池的柔性要求。同時，密度泛函理論（DFT）表明鎳原子的摻雜有效地調節了Co₃O₄表面的固有特性👉🏽，改變了氧中間分子的狀態，避免了催化劑表面的直接解離💄，降低O₂反應的過電位。基於以上優勢👰🏼‍♀️💆，組裝成的大面積柔性鋅空氣電池表現出高能量密度和高功率密度以及高循環穩定性的電池性能🤑。

以上成果表明柔性鋅空氣電池在功率密度🤏🏻、體積/質量能量密度以及充放電穩定性等電池性能上的大幅度突破👨🏽‍🦳，可有效實現其在新領域的成功應用🔘。新穎獨特的電極穩定/衰減機製以及大面積鋅空氣電池的構建♻，為柔性鋅空氣電池的研究提供了一個全新的發展方向✂️，具有廣泛借鑒意義以及重要的社會意義🧑🏽‍🍼。相關研究結果由中國國家自然基金（21972017）🍄，上海市科委“科技創新行動計劃”港澳臺科技合作項目(19160760600)以及美國國家自然基金（NSF-1747603）支持。

論文作者為：Nengneng Xua, Joshua A. Wilson, Yu-Dong Wang, Tianshun Su, Yanan Wei, Jinli Qiao, Xiao-Dong Zhou, Yanxing Zhang, Shunhui Sun

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118953