隨著科技的進步和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，便攜柔性和可穿戴電子產(chǎn)品成為了未來電子設(shè)備的重要發(fā)展趨勢。因此，開發(fā)高性能的柔性儲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的可塑性。因此，設(shè)計一種既具有高能量密度又具有高功率密度的新型混合儲能器件對于可穿戴電子設(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，故而可以作為同時進行兩種電化學(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。

此新型混合鋅基動力電池不僅具有較高的功率密度3200W·kg-1,同時具有較高的能量密度1060Wh·kg-1,并且經(jīng)過440小時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小時或洗滌1小時后仍可保持近90%以上的電化學(xué)性能。除此之外，當(dāng)其暴露在空氣中時，該新型混合鋅基動力電池可以自動恢復(fù)輸出電量。該工作通過等離子體刻蝕技術(shù)對電極材料進行改性，實現(xiàn)了其在混合儲能領(lǐng)域上的應(yīng)用，同時其所研制的柔性儲能設(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)性測試

(h)不同時間循環(huán)性測試后的充放電曲線

圖4.不同測試條件下雜化鋅電池的電化學(xué)性能

(a)無氧環(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)測試

(d)恒電流充電/放電循環(huán)測試

(e)含水環(huán)境中的電壓曲線

(f)持續(xù)浸泡測試下的開路電壓

(g)持續(xù)水洗測試下的電化學(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LED供電

(c)雜化電池電量耗盡

(d)雜化電池恢復(fù)供電

(e-g)雜化電池的柔性測試

小結(jié)

該研究通過在具有自支撐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,以及在不同測試條件下展現(xiàn)出優(yōu)秀的充放電穩(wěn)定性?；谒z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恢復(fù)輸出電力，很有潛力成為下一代儲能器件并大規(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。