近日，Applied Catalysis B: Environmental（影响因子：14.229）发表我课题组在柔性锌空气电池领域最新成果。论文题目为《柔性、自支撑双金属电极作为高稳定无碳、无粘结剂阴极用于规模化固态锌-空气电池》( Flexible self-supported bi-metal electrode as a highly stable carbon- and binder-free cathode for large-scale solid-state zinc-air batteries. Applied Catalysis B: Environmental, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118953)。
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。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)
课题组针对以上问题，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，制备出无碳、无粘结剂的柔性双功能空气电极。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，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)
特别是目前柔性锌-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。基于此，课题组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，电池面积可达100 cm2。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。
论文第一作者为徐能能博士，目前在美国University of Louisiana at Lafayette进行博士后研究。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118953