清华杨诚老师课题组研发高能量密度柔性镍锌电池，解决产业化难题

清华杨诚老师课题组研发高能量密度柔性镍锌电池，解决产业化难题

【介绍】

清华大学杨程教授课题组利用镍纳米线阵列作为水系碱性镍锌二次电池的集流体，制成可快速充电、能量密度高的柔性镍锌电池，实现了镍锌电池高能量密度和优异循环性能。相关成果近日发表在能源技术领域重要期刊《纳米》上。

随着便携式电子设备需求的快速增长，超薄、可弯曲、高储能性能的储能装置也日益受到人们的关注。与锂离子电池相比，镍锌电池是一种功率密度高、安全性能好（水系电解液）、材料成本低（镍、锌原料储量丰富）的二次电池体系。但由于其能量密度低（30-40 Wh/kg）、循环寿命差（通常小于500次），至今尚未得到工业界足够的重视。特别是镍锌电池在工作过程中，正极氢氧化镍的结晶转变和锌负极处易产生锌枝晶是其循环性​​能恶化的主要原因。

【主要著作】

针对上述问题，杨程教授课题组引入超长（长度可达1毫米）、高度取向的镍纳米线阵列（直径超过100纳米）。利用其高效的自由电子和离子传输特性以及金属纳米线阵列的超亲水性能，大大增加了与活性物质的接触面积和单位面积的负载，从而有效发挥了活性物质的性能。利用其作为集流体，通过负载钴掺杂的氢氧化镍和金属锌，可以有效释放活性物质在多次循环后产生的应力，抑制锌枝晶的生长，从而提高电池的能量密度和循环寿命。采用该方法制备的镍锌电池可实现148.54 Wh/kg的能量密度和1.725 kW/kg的功率密度，接近锂离子电池的水平。 该镍锌电池可在1分钟内充满电，经过5000次循环后容量仍维持在初始值的88%。与以往水系二次电池学术研究相比，这种基于镍纳米线阵列结构的镍锌电池具有能量密度高、循环寿命长的特点。

【图片导览】

图1 柔性镍锌二次电池示意图

a) 阴极（CNH，即共掺杂的Ni(OH)2）和阳极（金属锌）均采用镍纳米线阵列薄膜作为集电器。

(b) 镍锌电池的结构、工作机理和所涉及的电化学反应。

图2 材料表征

（a）镍纳米线阵列的 SEM 图像。

（b）单根镍纳米线的放大 SEM 图像。

（c）用 CNH 沉积的镍纳米线阵列的 SEM 图像。

（d）镍纳米线-CNH核壳结构镍的TEM图像。

（e）Ni纳米线@CNH的放大TEM图像（插图是氢氧化物层的SAED图案）。

（f）NNA@CNH 的局部 STEM 图像。

（g）-（i）EDS光谱显示的Ni，Co和O元素分布照片。

图3 元素分析

（a）NNA@CNH 的全 XPS 光谱分析。

（b）NNA@CNH 中 O 的光谱线。

（c）NNA@CNH 中 Co 的光谱线。

（d）NNA@CNH 中 Ni 的光谱线。

图4 NNA@CNH-1正极电化学性能测试

（a）NNA@CNH-1和NNA@Ni(OH)2的CV曲线测试。

（b）3A/g条件下NNA@CNH-1和NNA@Ni(OH)2的GCD曲线​​测试。

（c）不同密度下NNA@CNH-1的GCD曲线​​。

（d）NNA@CNH-1和NNA@Ni(OH)2的倍率性能。

（e）在电流密度为5 A/g时测得的NNA@CNH-1电极的质量比电容和表面电容。

（f）NNA@CNH-1和NNA@Ni(OH)2的循环性能。

图5 NNA@Zn和Cu@Zn组成的全电池的电化学性能

（a）NNA@Zn和Cu@Zn电池的GCD曲线​​。

（b）NNA@Zn和Cu@Zn电池的倍率性能。

（c）NNA@Zn和Cu@Zn电池的EIS结果。

（d）NNA@Zn和Cu@Zn电池的循环性能

图6 NNA@Zn电池的器件级评估

（a）NNA基镍锌碱性电池的GCD曲线​​。

（b）以 8 A/g 充电并以 1 A/g 放电的 NNA-Ni/Zn 电池的 GCD 曲线。

（c）NNA-Ni/Zn电池在弯曲/平坦状态下的GCD曲线​​。

（d）本文中的镍锌碱性电池的能量对比图（能量密度基于两个电极上的活性物质的质量）。

（e）基于 NNA 的 Ni/Zn 水系电池与最近报道的先进碱性电池的循环性能比较（图中标出了循环测试的条件）。

【前景与意义】

该课题组的科研人员表示，镍锌电池的结构设计和材料选择还需要进一步的探索和改进。但可以肯定的是，这项工作对于镍锌电池电性能的优化和循环寿命的提高具有重要意义。

文献链接：An, high and Ni/Zn on array film (Nano, 2016, DOI: 10.1016/j..2016.07.035)（见下方“阅读原文”）

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