隨著科技的進(jìn)步和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，便攜柔性和可穿戴電子產(chǎn)品成為了未來(lái)電子設(shè)備的重要發(fā)展趨勢(shì)。因此，開(kāi)發(fā)高性能的柔性儲(chǔ)能器件具有重要意義。相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池，新型可充電鋅基電池由于其本身的安全性、儲(chǔ)量豐富以及Zn2+/Zn較低的氧化還原電位，成為引人注目的備選解決方案之一。在鋅基電池中，鋅空氣電池因其較高的能量密度受到了研究者的廣泛關(guān)注，但是其較低的功率密度，較差的防水性及柔韌性限制了其在可穿戴電子設(shè)備上的應(yīng)用，而鋅鈷電池則具有較高的功率密度和較強(qiáng)的可塑性。因此，設(shè)計(jì)一種既具有高能量密度又具有高功率密度的新型混合儲(chǔ)能器件對(duì)于可穿戴電子設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。

成果簡(jiǎn)介

近日，香港城市大學(xué)支春義教授課題組在ACSNano上發(fā)表了題為“FlexibleWaterproofRechargeableHybridZincBatteriesInitiatedbyMultifunctionalOxygenVacancies-RichCobaltOxide”的論文，該工作通過(guò)在Ar氣氛圍下使用等離子刻蝕技術(shù)合成了一種含有豐富氧空位的鈷氧化物，并以此制備了一種新型鋅氧化鈷和鋅空氣混合電池。Co3O4作為一種鋅離子電池正極材料，在其表面中引入氧空位可以有效提高其OER和ORR電催化性能進(jìn)而提高其作為鋅空氣電池正極材料的電化學(xué)性能，故而可以作為同時(shí)進(jìn)行兩種電化學(xué)反應(yīng)（OER，ORR電催化和法拉第Co-O——Co-O-OH氧化還原反應(yīng)）的載體。

此新型混合鋅基動(dòng)力電池不僅具有較高的功率密度3200W·kg-1,同時(shí)具有較高的能量密度1060Wh·kg-1,并且經(jīng)過(guò)440小時(shí)1500次循環(huán)后仍然具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。更重要的是，通過(guò)使用凝膠電解質(zhì)將其組裝成全電池后，該固態(tài)混合電池也展示出良好的安全性、優(yōu)秀的防水和耐洗能力，在水中浸泡20小時(shí)或洗滌1小時(shí)后仍可保持近90%以上的電化學(xué)性能。除此之外，當(dāng)其暴露在空氣中時(shí)，該新型混合鋅基動(dòng)力電池可以自動(dòng)恢復(fù)輸出電量。該工作通過(guò)等離子體刻蝕技術(shù)對(duì)電極材料進(jìn)行改性，實(shí)現(xiàn)了其在混合儲(chǔ)能領(lǐng)域上的應(yīng)用，同時(shí)其所研制的柔性儲(chǔ)能設(shè)備可以穩(wěn)定的為商業(yè)化智能手表提供能量，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

圖文導(dǎo)讀

圖1.富氧空位Co3O4-x納米棒結(jié)構(gòu)合成示意圖及微觀結(jié)構(gòu)表征

(a)富氧空位Co3O4-x納米棒結(jié)構(gòu)合成示意圖

(b)Co3O4納米棒的SEM照片

(c)Co3O4-x納米棒的SEM照片

(d)Co3O4納米棒Co2p的XPS圖譜

(e)Co3O4納米棒O1s的XPS圖譜

(f)Co3O4-x納米棒Co2p的XPS圖譜

(g)Co3O4-x納米棒O1s的XPS圖譜

圖2.富氧空位Co3O4-x納米棒電催化性能

(a)Co3O4納米棒和Co3O4-x在0.1MKOH中的CV曲線

(b)Co3O4納米棒和Co3O4-x的ORR性能

(c)RRDE測(cè)試

(d)Co3O4納米棒和Co3O4-x的OER性能

(e)Tafel曲線

(f)Co3O4納米棒和Co3O4-x的整體極化曲線

圖3.鋅基雜化電池的電化學(xué)性能

(a)Zn-Co3O4-x/Zn-air雜化電池示意圖

(b)雜化鋅電池CV曲線

(c)充放電曲線

(d)掃描電流曲線

(e)充放電功率密度曲線

(f)持續(xù)放電曲線

(g)循環(huán)性測(cè)試

(h)不同時(shí)間循環(huán)性測(cè)試后的充放電曲線

圖4.不同測(cè)試條件下雜化鋅電池的電化學(xué)性能

(a)無(wú)氧環(huán)境中的充放電曲線

(b)有氧環(huán)境中的充放電曲線

(c)充放電循環(huán)測(cè)試

(d)恒電流充電/放電循環(huán)測(cè)試

(e)含水環(huán)境中的電壓曲線

(f)持續(xù)浸泡測(cè)試下的開(kāi)路電壓

(g)持續(xù)水洗測(cè)試下的電化學(xué)性能

圖5.鋅基雜化電池的應(yīng)用展示和安全性能

(a)Zn-Co3O4-x/Zn-air雜化電池恒電流充電/放電曲線

(b)雜化電池為L(zhǎng)ED供電

(c)雜化電池電量耗盡

(d)雜化電池恢復(fù)供電

(e-g)雜化電池的柔性測(cè)試

小結(jié)

該研究通過(guò)在具有自支撐Co3O4納米棒結(jié)構(gòu)上創(chuàng)造豐富的氧空位，使鈷氧化物(Co3O4-x)可以成功的執(zhí)行多個(gè)電化學(xué)反應(yīng)，包括ORR/OER電催化反應(yīng)和法拉第Co-O——Co-O-OH氧化還原反應(yīng)。研究者利用此特殊性質(zhì)所制備的鋅基雜化電池具有高功率密度3200W·kg-1和高能量密度1060Wh·kg-1,以及在不同測(cè)試條件下展現(xiàn)出優(yōu)秀的充放電穩(wěn)定性。基于水凝膠電解質(zhì)的固態(tài)混合電池更表現(xiàn)出優(yōu)異的防水性，柔韌性和良好的環(huán)境適應(yīng)能力。此外，它可以在空氣中自動(dòng)恢復(fù)輸出電力，很有潛力成為下一代儲(chǔ)能器件并大規(guī)模應(yīng)用于柔性可穿戴電子設(shè)備及其他技術(shù)領(lǐng)域。