華南理工《Adv Mater》一種用於可充電柔性鋅空氣電池的氣凝膠

2020-07-29 材料material

導讀：本文報導了一種原位生長FeP/Fe2O3納米顆粒的三維蜂窩氮/磷摻雜碳氣凝膠材料。由該碳氣凝膠組成的柔性水系可充電Zn空氣電池，在20 mA cm -2的電流密度下，比容量為648mAh g -1，具有良好的柔性以及長期耐久性。


隨著市場對可穿戴電子產品的需求的增長，開發靈活、可靠、能量密度高、使用壽命長的儲能系統迫在眉睫。可充電鋅空氣電池(ZABs)由於其理論能量密度高，且具有安全、環保和成本低等優勢，被認為是一種很有前途的可穿戴電子器件。因此，在過去的十多年裡，人們對柔性ZABs，特別是正極空氣電極進行了大量的研究。傳統的空氣電極是將催化劑粉末通過無活性的高分子粘結劑塗覆在平面碳布/紙上。但是由於納米催化劑在與不活躍的聚合物結合和變形下的接觸，導致了活性區域的損失。


近年來，柔性ZABs自支撐空氣電極的研究工作取得了很大進展，如電紡絲製備的碳基膜、電沉積碳布、或原位生長碳布等；但其纖維結構過於緻密，導致空氣/電解液滲透性差，空氣擴散效率低，無法達到理想的電化學性能。另一方面，對於OER/ORR迫切需要開發低成本、高效、耐用的非貴金屬基催化劑。近年來，有研究發現金屬磷化物/氧化物偶聯雜化碳的電催化劑表現出很大的ORR和/或OER性能。

針對上述問題，華南理工大學彭新文教授團隊報導了一種用於構建三維蜂窩納米氮磷摻雜碳氣凝膠的定向凍鑄和退火方法並且原位生長FeP/Fe2O3納米顆粒，將其作為柔性鋅空氣電池(ZAB)的正極。該工作以「An Iron-Decorated Carbon Aerogel for Rechargeable Flow and Flexible Zn-Air Batteries」為題，發表在國際頂刊《Advanced Materials》上。

論文連結：

https://doi.org/10.1002/adma.202002292

華南理工《Adv Mater》一種用於可充電柔性鋅空氣電池的氣凝膠


在此工作中，作者通過定向冷凍鑄造和後續退火的方法，構建了一種三維蜂窩納米碳氣凝膠作為雙功能空氣電極（FeP/Fe2O3@NPCA）。所獲得的碳氣凝膠在壓縮和彎曲方面具有令人滿意的機械穩定性，並且具有多孔結構，可有效地進行氣體/電解質擴散和離子導電。得益於氧化鐵/磷化物與N、p摻雜的碳納米片的協同作用，該催化劑作為自支撐空氣正極在傳統的水系ZABs中具有優異的性能，在20mA cm -2的電流密度下，比容量為648mAh g -1。


此外，由於沒有碳紙/布和添加劑的使用，這樣一個具有定向通道的可摺疊的碳氣凝膠可以作為一個自支撐的空氣正極，應用於柔性固態鋅空氣電池，同樣表現出良好的性能（比容量為676mAh·g-1，在5mA·cm-2電流密度下能量密度為517 Wh·kg-1），且良好的循環穩定性。這項工作為設計和合成高效的用於電化學儲能器件的雙功能空氣電極提供了新的策略。（文：天航）


華南理工《Adv Mater》一種用於可充電柔性鋅空氣電池的氣凝膠

圖1. FeP/Fe2O3@NPCA的製備及微觀結構。


華南理工《Adv Mater》一種用於可充電柔性鋅空氣電池的氣凝膠

圖2. ORR、OER及相應電化學測試。

華南理工《Adv Mater》一種用於可充電柔性鋅空氣電池的氣凝膠

圖3. FeP/Fe2O3@NPCA組裝模塊鋅空氣電池性能測試。

華南理工《Adv Mater》一種用於可充電柔性鋅空氣電池的氣凝膠

圖4. 以FeP/Fe2O3@NPCA作為獨立空氣電極的全固態可充電鋅空氣電池的性能。


本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。

相關焦點

  • 華南理工《Adv Mater》一種用於可充電柔性鋅空氣電池的氣凝膠
    導讀：本文報導了一種原位生長FeP/Fe2O3納米顆粒的三維蜂窩氮/磷摻雜碳氣凝膠材料。由該碳氣凝膠組成的柔性水系可充電Zn空氣電池，在20 mA cm -2的電流密度下，比容量為648mAh g -1，具有良好的柔性以及長期耐久性。
  • 【技術前沿】一種可充電鋅空氣電池
    復旦大學材料科學系青年研究員王飛團隊通過國際合作開發了一種可充電鋅空氣電池。日前，相關研究成果發表於《科學》。
  • 廣東工業大學:B/N摻雜的超薄碳納米片,用於可充電鋅空氣電池
    本文要點：B，N摻雜的超薄碳納米片上部結構，用於可充電鋅空氣電池成果簡介 合理的結構設計此外，包含BN / C催化劑和RuO 2和液體電解質的可再充電Zn-空氣電池裝置具有優異的性能，開路電勢約為1.36 V，峰值功率密度約為115 mW cm -2，並且出色的耐用性（1000個循環，可運行14天）。此外，包含BN / C催化劑和RuO的柔性固態Zn-空氣電池2 在不同的彎曲狀態下顯示出良好的循環耐久性，表明可穿戴設備具有出色的實用性。
  • 中科院Adv Energy Mater: 基於PVDF-HFP改性凝膠聚合物電解質的...
    採用具有良好高電壓穩定性的凝膠聚合物電解質可以改善雙離子電池的循環穩定性。目前，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）相對於其他聚合物基體具有相對較高的離子電導率，已用於聚合物鋰離子電池中；但是其在雙離子電池中仍不能滿足較大的陰離子的快速傳輸的需求，因此需要開發具有更高離子電導率的聚合物電解質。
  • 中外科學家合作發明全新中性鋅空氣電池
    復旦大學材料科學系青年研究員王飛團隊通過國際合作開發了一種可充電鋅空氣電池。日前，相關研究成果發表於《科學》。
  • 柔性氣凝膠在服裝中應用,薄薄一層卻比羽絨還保暖?
    柔性氣凝膠在服裝中應用，薄薄一層卻比羽絨還保暖？氣凝膠的歷史可追溯到1931年，美國加州太平洋大學首次通過乙醇超臨界乾燥製備出二氧化矽氣凝膠。此後，該公司又在第一款服裝基礎上進行了一系列透氣性和耐用性改進，開發了一種名為SolarCore的新型聚合物複合氣凝膠，使得衝鋒衣重量減輕了40%，且透氣性更好，可廣泛應用於手套、雪褲、帽子、襯衫等產品領域。
  • 頂刊《Adv Mater》綜述:用於軟機器人的3D列印材料
    軟機器人的3D列印提出了一種新穎而有前途的方法，可以直接從數字設計中形成具有複雜結構的對象。 為此，來自以色列希伯來大學的Ela Sachyani Keneth等人在《Advanced Materials》上發表題為「用於軟機器人的3D列印材料」的綜述文章。
  • 華南理工：簡易高效的方法製備柔性石墨烯薄膜，用於水性集電器
    本文要點： 一種以天然石墨（NG）薄片為原料大規模製備自支撐柔性石墨烯薄膜（FGF）的簡易方法成果簡介 水性儲能裝置由於在安全性，成本和離子傳導性等方面的優勢而被廣泛考慮。然而，可用於水系統的集電器非常有限。
  • 華南理工:簡易高效的方法製備柔性石墨烯薄膜,用於水性集電器
    本文要點：一種以天然石墨（NG）薄片為原料大規模製備撐柔性石墨烯薄膜（FGF）的簡易方法成果簡介 水性儲能裝置由於在安全性，成本和離子傳導性等方面的優勢而被廣泛考慮。然而，可用於水系統的集電器非常有限。
  • 2021 Science報導鋅空氣電池研究突破:正極生成過氧化鋅的非鹼性鋅空氣電池
    為了突破鹼性電解液對鋅空氣電池的限制，本工作通過對電解液組成和雙電層結構的調控，首次探索並成功實現了一種全新的基於過氧化鋅（zinc peroxide， ZnO2）的可逆生成與分解反應的反應機制，並利用該反應機制構建了新型的非鹼性鋅空氣電池。
  • 中美德三國團隊聯合發明「中性鋅空氣電池」
    中國青年報客戶端訊（中青報·中青網記者王燁捷）近期，復旦大學材料科學系青年研究員王飛團隊國際合作開發了一種可充電鋅空氣電池。1月1日，相關研究成果以《基於過氧化鋅反應的可充鋅空氣電池》（「A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry」）為題發表於《科學》（Science）主刊。鋅空氣電池具有高理論能量密度、高安全性、低成本等優點，是一種具有前景的儲能技術。
  • 華南理工：輕質和高彈性的碳氣凝膠連接可再生纖維素納米晶體
    本文要點： 一種簡單而有效的從生物質CNC和KGM製備高壓縮性和彈性碳氣凝膠的方法成果簡介 可壓縮彈性碳氣凝膠具有密度低、導電性好、孔隙率高、化學穩定性好等優點然而，現有的碳氣凝膠由於結構工程的缺陷，其力學性能往往受到限制。本文，華南理工大學輕工科學與工程學院鍾林新教授團隊在《ACS Sustainable Chem.
  • 劉忠範院士團隊：高安全、全柔性石墨烯改性鋰離子電池
    鋰離子電池（簡稱LIB）是一種可充電電池，最早由埃克森美孚(Exxon)的化學家斯坦利•惠廷漢姆(M Stanley Whittingham)於20世紀70年代提出。鋰離子電池通常用於可攜式電子設備和電動汽車，並且在軍事和航空航天應用中日益流行。
  • 全固態柔性鋁空氣電池的磷摻雜碳點/石墨烯氣凝膠上的氧還原反應
    但是，金屬空氣電池中所需的ORR性能通常受到適度的電催化活性和缺乏實現良好分散性的方法的限制。為了解決這些問題，一種生物質衍生方法可實現碳點的原位磷摻雜（P摻雜）並同時裝飾在石墨烯基體上。獲得P摻雜碳點/石墨烯（P-CD / G）納米複合材料，可以達到碳納米材料的超高P摻雜水平。
  • 柔性氣凝膠:從「太空傘」到服裝保暖,從軍用到民用
    此後，又與阿克倫大學合作開展了八氨苯基（POSS）交聯的聚醯亞胺氣凝膠，製備出密度為0.12 g/cm3、孔隙率為90%的聚醯亞胺氣凝膠。這種材料可以經受1100 °F的溫度達90 s，從而確保進入大氣層時不會燃燒；強度是聚合物增強的矽氣凝膠的 5 倍，可製成更薄（厚度0.5 mm）的材料以滿足可摺疊儲存在太空飛行器中的要求，很好地克服了矽氣凝膠在重量、成本、柔韌性、耐久性等方面的不足。
  • 《ACS Nano》：一種簡易的氣凝膠輕薄化設計方法
    氣凝膠是一種具有三維多孔網絡結構的超輕固體材料，具有超低熱導率，能夠作為一種超級隔熱材料，在航天航空、建築節能、電動汽車及可攜式電子設備等領域發揮重要作用。然而，目前大部分氣凝膠均為宏觀塊體形態，不具備纖細、輕薄、柔長等特徵。另一方面，氣凝膠材料自身所具有的弱力學強度，使得其後加工（如切割、壓縮）相對困難。
  • 可充電鋅空氣電池明年上市 欲替代鋰電池
    小到手機MP3，大到電動汽車，如何製造更安全、續航時間更長、充電循環數更多的充電電池一直都是關鍵的技術難題。我們使用多年的鋰離子電池技術有很多明顯的缺點，比如電量退化快、壽命短、不環保等，曾多次出現的鋰電池過熱、爆炸事故也至今仍讓人心有餘悸。在多種有望替代鋰電池的技術當中，近期又出現了一股新勢力：鋅空氣可充電電池。
  • 鋅空電池首篇《Science》!非鹼性可充電鋅空電池!可在空氣中穩定...
    然而，電化學可逆的可充電鋅空電池由於面臨諸多挑戰，目前仍處於實驗室研發階段。　　雖然近年來科學家在可充電鋅空電池領域取得了長足的進展，但是仍然缺乏同時解決所有問題的統一方法。　　Science重磅成果：高度電化學可逆的非鹼性鋅空電池　　為了打破鹼性電解質對鋅空電池的束縛，多個國內外頂尖研究團隊攜手合作，首次報導了一種全新的非鹼性可充電鋅空電池，並成功解析了基於過氧化鋅（ZnO2）的可逆生成與降解的反應機制。
  • 科學家發現比現有技術強大十倍的柔性可充電電池
    「而且我們的製造方法價格合理且可擴展。」新電池的容量比目前市場上任何柔性電池都高。這是因為電池的阻抗要低得多，即電路或設備對交流電的電阻。阻抗越低，電池抗大電流放電的性能越好。喬納森·沙夫（Jonathan Scharf，第一作者，博士學位。
  • 石墨烯氣凝膠獲得*輕材料金氏世界紀錄
    該材料密度只有0.5毫克每立方釐米，各項性能非常優秀，可廣泛應用於柔性驅動器、柔性機器人、傳感器、可變形電極材料、藥物傳輸和投放、超輕隔熱保溫及防護材料等。     氣凝膠是一種用途廣泛的物質，是世界上密度最小的固體，密度僅為3千克每立方米。這種海綿狀的物體也是絕佳的熱與光學絕緣體，據了解，近年來利用3D印表機就可以製造出這種凝膠。