我校乔锦丽教授团队在柔性锌空气电池领域取得新突破

我校乔锦丽教授团队在柔性锌空气电池领域取得新突破

近日，我校环境科学与工程学院乔金丽教授团队在柔性锌空气电池领域取得新突破，相关成果以“自双金属作为非均质材料用于大规模固态锌空气电池”为题发表于环境与能源领域著名期刊《B刊》（影响因子14.229）。该论文第一作者为环境科学与工程学院徐能能博士，目前在美国北卡罗来纳大学教堂山分校从事博士后研究。

近年来，随着可穿戴电子设备、智能手环、柔性显示器等应用领域的快速发展，柔性锌空气电池凭借其能量密度高、成本低、安全性好、柔韧性好等优势受到越来越多的关注，成为一种很有前途、可行的电化学储能与转换装置。但柔性锌空气电池的商业化发展仍然面临严峻的形势。与水系锌空气电池类似，可充电柔性锌空气电池充放电过程中的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）直接决定了电池的发电性能、充放电性能以及循环稳定性。因此，开发高效低成本的双功能催化柔性电极是发展柔性锌空气电池的关键技术之一。

（图1 柔性电极催化过程示意图及其在锌空气电池中的应用）

乔金丽教授课题组针对以上方面开展了相关研究，通过简便稳定的电沉积-电化学原位氧化耦合法，实现了镍泡沫表面镍掺杂Co3O4纳米片阵列的原位生长，制备了无碳、无粘结剂的柔性双功能空气电极。该电极不仅具有镍泡沫高电导率、丰富的气体传输通道和强机械强度等固有优势，还协同(Ni,Co)3O4材料的ORR和OER催化性能。同时，该工作利用SCN-离子作为分子探针，有效揭示了柔性氧电极的活性位点和催化机理，并通过密度泛函理论（DFT）进一步验证了该结论。基于以上特点，该双功能柔性电极表现出优异的催化活性和电池性能，能量密度高达2268 mWh/cm3。

（图2 （a）催化剂ORR活性比较与（b）ORR反应机理；（c）催化剂OER活性比较与（d）OER反应机理）

论文作者告诉记者，目前柔性锌空气电池的研究还集中在小面积空气电极（0.5-8 cm2）的研究设计上，大面积自支撑电极的开发制备尚属空白。因此大面积电极材料研究是柔性锌空气电池商业化发展的关键。为此，课题组基于近6年在锌空气电池领域的研究基础，课题组科研成员经过无数次尝试和实践，成功地在泡沫镍金属表面沉积了超薄（Ni，Co）3O4纳米片，构筑了具有超薄（Ni，Co）3O4纳米片阵列的泡沫镍双功能氧催化电极，电池面积可达100 cm2，而且具有以下优点：1）不需要额外的非导电聚合物粘结剂，降低了电极的界面电阻，提高了电池的电导率； 2）避免了非导电聚合物粘结剂导致的活性面积下降问题；3）避免了常规物理沉积法制备空气电极中催化剂粉末的团聚问题，实现了材料在导电载体上的均匀生长，提高了OER和ORR性能；3）高强度的化学界面有效缓解了催化剂与扩散层的分离；4）避免了传统碳材料作为导电材料在高电位下的碳降解，提高了电池的稳定性；5）具有良好的柔韧性，可以满足柔性锌空气电池对柔性的要求。同时密度泛函理论（DFT）表明，镍原子的掺杂有效调控了Co3O4表面的固有性质，改变了氧中间体分子的状态，避免了催化剂表面的直接解离，降低了O2反应的过电位。综合以上优点，组装的大面积柔性锌空气电池表现出高能量密度、高功率密度、高循环稳定性的电池性能。

上述结果表明柔性锌空气电池在功率密度、体积/质量能量密度、充放电稳定性等电池性能上的重大突破，可有效实现其在新领域的成功应用。新颖独特的电极稳定/衰减机理及大面积锌空气电池的构建，为柔性锌空气电池的研究提供了新的发展方向，具有广泛的借鉴意义和重要的社会意义。相关研究成果得到国家自然科学基金（）、上海市科委“科技创新行动计划”港澳台科技合作项目（）、美国国家自然科学基金（NSF-）等项目的支持。

论文作者为：徐A.、王玉东、苏、亚楠、乔金丽、周晓东、张、孙

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