环境学院乔锦丽教授团队在《应用催化B-环境》发表柔性锌空气电池的最新研究成果

近日，我校环境科学与工程学院乔锦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“Flexible self-supported bi-metal electrode as a highly stable carbon- and binder-free cathode for large-scale solid-state zinc-air batteries”为题，发表于环境能源领域著名期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118953, 影响因子14.229），该论文第一作者是环境科学与工程学院徐能能博士，目前在美国University of Louisiana at Lafayette进行博士后研究。

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迅速发展，柔性锌-空气电池由于能量密度高、成本低、安全性好以及柔韧性好等优点的越来越受到人们的关注，已然成为一种极具发展前景且可行高的电化学能源存贮与转化的设备。然而，柔性锌-空气电池的商业化开发依然面临严峻的形势。与水系锌-空气电池类似，可充式柔性锌-空气电池在充放电过程的氧还原(ORR)和氧析出反应(OER)直接决定了电池的发电功率、充放电性能以及循环稳定性等性能。因此，高效、低成本的双功能催化柔性电极的开发是发展柔性锌-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上的应用)

乔锦丽教授课题组针对以上方面开展了相关研究，通过一种简单稳定的电沉积-电化学原位氧化耦合法，实现了镍原子掺杂的Co₃O₄纳米片阵列在泡沫镍表面的原位生长，制备出一种无碳、无粘结剂的柔性双功能空气电极。该电极不仅具备了泡沫镍的高导电性、丰富气体传输通道以及强机械强度等固有优势，同时协同了(Ni, Co)₃O₄材料的ORR和OER催化性能。同时，该工作采用SCN^-离子作为分子探针，有效揭示了柔性氧电极的活性位点及其催化机制，并由密度泛函理论（DFT）进一步验证。基于以上特性，该双功能柔性电极表现出优异的催化活性以及电池性能，其能量密度高达2268 mWh/cm³。

(图2 (a)催化剂ORR活性对比及其 (b) ORR反应机制；(c)催化剂OER活性对比及其 (d) OER反应机制)

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）的研究与设计上，大面积自支撑电极的开发与制备还处于空白。因此，大面积电极材料的研究是实现柔性锌-空气电池商业化开发的关键。为此，小组研究成员基于课题组近6年来在锌空气电池领域的研究基础，进行了无数次尝试与实践，成功地在泡沫镍金属表面沉积了超薄(Ni, Co)₃O₄纳米片，构建了超薄(Ni, Co)₃O₄纳米片阵列的泡沫镍双功能氧催化电极。该电池面积可达100 cm²，同时具备以下优势：1）无需额外添加的非导电高分子结合剂，减小了电极的界面阻力，提高电池的导电性；2）避免了非导电高分子结合剂造成活性面积下降的问题；3）规避了催化剂粉体在常规物理沉积方法制备空气电极遇到的团聚问题，实现了材料均匀在导电载体的生长，提高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脱离；4）避免传统碳材料作为导电材料会在高电势下会发生碳降解，提高电池的稳定性；5）柔韧性好，可满足柔性锌-空气电池的柔性要求。同时，密度泛函理论（DFT）表明镍原子的掺杂有效地调节了Co₃O₄表面的固有特性，改变了氧中间分子的状态，避免了催化剂表面的直接解离，降低O₂反应的过电位。基于以上优势，组装成的大面积柔性锌空气电池表现出高能量密度和高功率密度以及高循环稳定性的电池性能。

以上成果表明柔性锌空气电池在功率密度、体积/质量能量密度以及充放电稳定性等电池性能上的大幅度突破，可有效实现其在新领域的成功应用。新颖独特的电极稳定/衰减机制以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一个全新的发展方向，具有广泛借鉴意义以及重要的社会意义。相关研究结果由中国国家自然基金（21972017），上海市科委“科技创新行动计划”港澳台科技合作项目(19160760600)以及美国国家自然基金（NSF-1747603）支持。

论文作者为：Nengneng Xua, Joshua A. Wilson, Yu-Dong Wang, Tianshun Su, Yanan Wei, Jinli Qiao, Xiao-Dong Zhou, Yanxing Zhang, Shunhui Sun

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118953