基于聚苯胺/聚丙烯腈纳米纤维膜的柔性空气电池阴极

采用静电纺丝技术制备聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜,并在其表面原位合成聚苯胺(PANI),制备PANI/PAN纳米纤维膜;采用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪、四探针电阻仪、热重分析仪,以及X射线衍射仪对制备的PANI/PAN纳米纤维膜进行一系列物理化学性能测试。以浸有KCl溶液的水性薄膜为电解质层,将PANI/PAN纳米纤维膜与锌金属片组装成柔性空气电池,并对其进行放电性能测定。该空气电池在2000 s内放电电流大于0.5 mA,电压大于0.4 V。

柔性锌-空气电池进展与展望

近年来,人们越来越关注柔性可穿戴电子设备。柔性锌-空气电池由于有较高的理论能量密度以及对像人体一样不均匀表面的适应能力,有望成为下一代电子产品的电源。在柔性锌-空气电池研究领域,人们已经取得了较好的研究进展,各种柔性锌-空气电池的制备方法已被报道。本文阐述了近年来柔性锌-空气电池的主要成就以及面临的困难,特别是关注凝胶电解质、金属阳极以及柔性空气阴极对柔性锌-空气电池电化学性能的影响,最后讨论了柔性锌-空气电池面临的主要挑战与发展前景。

表面富集的超小铂纳米颗粒耦合缺陷磷化钴用于高效的电催化水分解和柔性锌空气电池

开发多功能的纳米电催化剂可以提高单位催化剂表面活性密度.本课题组采用热解和还原工艺制备了具有多功能电催化性能的超小铂纳米颗粒耦合缺陷CoP的纳米材料(Pt/d-CoP/NPC),它具有较高的氧还原反应(ORR)半波电位(0.82 V).所合成的Pt/d-CoP/NPC电催化剂具有良好的电催化析氢反应活性,当反应活性达到10 mA cm^(-2)时,过电位分别为33 mV@1mol/L KOH, 10 mV@0.5 mol/L H_(2)SO_(4)和70 mV@1 mol/L PBS.Pt/d-CoP/NPC催化剂还表现出较好的析氧反应活性.以合成的催化剂Pt/d-CoP/NPC作为电极组装的全解水装置和可充电锌空气电池具有良好的活性和稳定性,可以持续有效地驱动全解水产氢,在存储可再生能源方面的具有较好的应用潜力.采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱测试和傅里叶红外光谱测试(FTIR)等技术研究了Pt颗粒与CoP之间的相互作用,并利用密度泛函理论(DFT)计算研究了催化剂的ORR反应机制.Pt/d-CoP/NPC在129.3 (2p_(3/2))和130.1 eV (2p_(1/2))处的P 2p轨道观察到P-M键,证实了金属磷化物的存在.Pt/d-CoP/NPC的Co结合能相对于d-CoP/NPC的结合能发生了正移,表明Pt与CoP之间存在电子相互作用.由于Co和Pt的电负性差异,Pt/d-CoP/NPC中Pt的峰值与商用Pt/C相比呈负移,说明电子从Co向Pt转移.XPS也证实了碳的存在.此外,拉曼光谱也出现了碳的特征峰D峰和G峰.并且Pt/d-CoP/NPC和d-CoP/NPC的ID/IG值相似,说明Pt的引入不会影响碳基体的结构.在N 1s光谱中,检测到N-P和吡啶氮的存在,证实在Pt/d-CoP/NPC和d-CoP/NPC中形成了N, P掺杂的碳.此外, Pt/d-CoP/NPC的FTIR谱出现对应于P-O, N-P, C-C, C-H和O-H的峰,也证明了氮磷共掺杂碳的存在.通过DFT计算进一步分析Pt/d-CoP/NPC电催化剂具有良好ORR活性的原因.结果表明,电荷从CoP转移到Pt,有利于活性氧分子的活化,促进催化过程.对比不同模型ORR过程中间体的自由能图, Pt/d-CoP/NPC和Pt/C的速率决定步骤为O_(2)生成OOH^(*),合成的Pt/d-CoP/NPC具有有利的热力学过电位,证明了其高效的ORR性能.此外, Pt/d-CoP/NPC中Pt的d带中心相对于纯Pt有明显的正向费米能级转移,说明引入的CoP可以导致离域电子重分布,从而优化了反应中间体的吸附.综上,Pt/d-CoP/NPC催化剂中Pt与CoP之间存在相互作用,进而提高催化活性,该催化剂的合成有望为开发多功能电催化纳米材料提供参考.

SnO_(2)/聚乙烯吡咯烷酮防腐薄膜的制备及其在柔性铝-空气电池中的应用

为减缓柔性铝-空气电池阳极析氢腐蚀,将纳米二氧化锡(SnO_(2))和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)均匀分散在无水乙醇中作为前驱体溶液,通过静电纺丝技术制备成SnO_(2)/PVP薄膜,将附着薄膜的铝箔处理后用作柔性铝-空气电池的阳极。对SnO_(2)/PVP薄膜进行表征和测试,并探究SnO_(2)在薄膜中的含量变化对腐蚀抑制率和电池性能的影响。结果表明:SnO_(2)/PVP薄膜能有效抑制铝-空气电池阳极析氢腐蚀,腐蚀抑制率随SnO_(2)含量的增加而提高;相比于不添加防腐蚀薄膜的电池,SnO_(2)质量分数为50%时电池腐蚀抑制率可达62.1%,放电时间延长2.4倍左右,阳极比容量可提高1.5倍以上。

ZnO@PAN抗腐蚀薄膜的制备、力学性能分析及在铝-空气电池中的应用研究

针对金属空气电池阳极自腐蚀问题,采用静电纺丝方法制备了ZnO@PAN抗腐蚀薄膜。该薄膜能够有效抑制碱性电解质条件下金属空气电池的阳极自腐蚀,腐蚀抑制率高达85.7%。同时,该薄膜兼具良好的力学特性,可适用于柔性能源器件。电化学和力学测试结果表明,ZnO@PAN抗腐蚀薄膜在疲劳拉伸后依然具备良好的腐蚀抑制性。随ZnO@PAN抗腐蚀薄膜中PAN含量的增加,其腐蚀抑制性减弱,但力学拉伸性能增强。将抗腐蚀薄膜应用于柔性金属空气电池时,需综合考虑应用场景,选用合适PAN含量的抗腐蚀薄膜。本实验所制备的ZnO@PAN抗腐蚀薄膜能够为金属电极提供有效保护,且具有优良的力学性能,在柔性可穿戴电子产品领域具有广阔的应用前景。

3D打印超拉伸凝胶电解质的制备及在柔性铝空气电池中的应用

以细菌纤维素(BC)、聚乙烯醇(PVA)为原料,通过3D打印与冻融循环法制备了超拉伸凝胶电解质。采用SEM、接触角测量仪、XRD、电化学工作站和微机控制电子万能试验机对凝胶电解质物理性能、电化学性能及拉伸性能进行了表征,对其孔隙率和吸液率进行了测试。结果表明,当m(BC)∶m(PVA)=0.0048∶1时,基于3D打印制备的凝胶电解质具有稳定的三维网络结构、优异的拉伸性能和电化学性能,拉伸强度可达0.90 MPa、断裂伸长率可达961%、离子电导率为11.00×10^(-2) S/cm。将该凝胶电解质应用于柔性铝空气电池,功率密度可达21.0 mW/cm^(2),电流密度为20 mA/cm^(2)时,铝阳极比容量为1124 mA·h/g,电池可稳定放电90 min。

柔性金属空气电池的发展现状及未来展望

柔性金属空气电池由于兼具柔性形变和能源存储受到广泛关注。然而,柔性金属空气电池目前仍存在诸多问题,电池柔性、空气电极催化活性和空气电极柔性都亟待提高,使用的固态凝胶电解质存在离子电导率不高、力学性能差等问题。本文通过对近期相关文献的梳理,首先分类总结了一维线缆型、二维平面型和三维三明治结构柔性金属空气电池各自的结构特点;其次,重点讨论了非自支撑和自支撑空气电极的制备及存在的问题。非自支撑电极使用黏结剂将催化剂涂覆在导电基底上,黏结剂等添加物会增加非活性物质组分、堵塞孔结构、降低电导率,催化剂也容易脱落,而自支撑电极使用水热、气相沉积、原子层沉积及静电纺丝等方法使催化剂原位生长在导电基底上,避免了非自支撑电极存在的问题。另外,本文总结了目前提高电解质性能的相关研究,通过降低聚合物的结晶度,改变温度等方式提高离子电导率。最后,对柔性金属空气电池的发展提出了展望,认为自支撑电极制备和新凝胶电解质材料的探索将会成为研究热门。如果能使空气电极和凝胶电解质两个界面接触更紧密,两者结合成一个有机整体,通过滴加电解液和添加金属箔片直接启动电池,简化电池组装,使电池应用更加广泛。

基于CNT的柔性自支撑锌空气电池正极研究进展

随着可穿戴智能设备的不断发展,柔性锌空气电池(FZAB)作为新一代极具应用前景的储能系统受到了广泛关注,但其二次电池的实际应用仍处于起步阶段.如何优化其柔性结构并提高电池性能是目前研究的关键与重点.碳纳米管作为新一代超级纳米材料,具有优异的导电性、柔韧性、质轻等特点,为柔性锌空气电池的发展提供了新的方向和选择.为了探究碳纳米管纤维材料在自支撑锌空气正极中的潜在应用,本文从碳纳米管的合成方法与构效关系入手,通过阐述锌空气电池的电化学工作机理与柔性化设计,总结了碳纳米管在FZAB应用中所发挥的不同作用,综述了近些年来基于碳纳米管的柔性自支撑空气正极的研究进展,讨论了目前碳纳米管与自支撑空气正极发展所面临的问题,并对未来进行了展望.旨在为纺织、纤维、材料及电子等领域的相关从业者进行柔性锌空气电池(FZAB)的研究与开发提供一定的参考与指导.

多孔钙钛矿型氧还原催化剂在柔性铝空气电池中的应用研究

钙钛矿型催化材料作为贵金属的低成本替代物受到广泛关注,其用作氧还原反应催化剂具有非常可观活性和稳定性.目前相关工作主要集中在使用钙钛矿制备技术影响元素组成、形态、表面积和结构控制等方面.对于普遍存在的钙钛矿(ABO3)材料而言,制备过程煅烧温度较高导致合成材料比表面积通常较小,限制了其在非均相催化反应中活性的提升.本文借助无机模板SiO2制备具有高活性的大比表面的钙钛矿型催化材料La0.7Sr0.3MnO3(LSMO).测试结果表明,模板法LSMO具有非常可观的比表面积(31.1825 m^2·g^-1),用在柔性铝空气电池中放电电压相比于无模板法和溶胶凝胶法可分别提高8.2%和24.5%,且在大电流放电下性能衰退明显减缓.在电池变形状态下,输出电压可稳定在1.38 V以上.不仅为燃料电池商业化提供了解决方案,同时为未来可变性电源发展提供了新方向.