【材料】易打理的超长寿命杂化锌电池

X一MOL资讯2021-04-06 09:37:17

‍‍‍‍


注:文末有本文作者科研思路分析


近些年来,重度空气污染引起的雾霾和城市中的重复性水灾给越来越多人的生活造成很大困扰。解决多重环境问题,需要加大可再生能源的开发以及通过大型电网储能系统的配合提高其可用性。大型储能电网对基元电池有特别的考量,如安全性、性价比、寿命以及容易维护等因素。因此,开发安全、廉价、长寿命、易打理的电池作为能源储存基元电池成为储能研究工作者的科研动力。


锌空气电池使用高储量易回收的锌作为负极,来自周围环境的氧气为正极活性物质和水相电解液,安全且容量大。美中不足的是功率性能有待提高,循环性能还不能满足大型储能需要。镍锌电池具有和锌空电池相似的安全性,而且在放电电压上更有优势,而需要弥补容量和循环寿命等性能。有没有可能将这两个优势集中在一个电池上?如果可行,会相互掣肘还是相互增强?近日,新加坡科技研究局材料与工程研究院宗昀/刘昭林研究组南洋理工大学张华教授团队通过将尖晶石态镍钴氧化物纳米线生长在预先镀碳的泡沫镍上作为正极,搭配锌负极和碱性电解液,在一个电池上同时实现了高放电电压(1.7V)和高容量(按锌耗计算可达688毫安时/克)。更有趣的是,这种集成使得空气电极得到了较好的保护,从而轻而易举地使电池的寿命大大延长。在实验室里实现了逾百日连续反复冲放电循环而几乎没有衰减迹象。镍锌电池部分可逆性强,完全没有记忆效应。这种电池将有可能在大型储能应用上发挥重要作用。


这一成果近期发表在Nano Letters上,文章的第一作者是新加坡科技研究局材料与工程研究院的李冰博士。


该论文作者为: Bing Li, Junye Quan, Adeline Loh, Jianwei Chai, Ye Chen, Chaoliang Tan, Xiaoming Ge, T. S. Andy Hor, Zhaolin Liu, Hua Zhang, Yun Zong

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

A Robust Hybrid Zn-Battery with Ultralong Cycle Life

Nano Lett., 2017, 17, 156–163, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03691


科研思路分析


Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?

A:我们接受资助的二次锌空气电池项目的主要目标是为智能电网开发合适的基元单电池。智能电网应用前期资金投入很高,其中一个刚性需求就是超长循环寿命。在研究中我们发现,碳基空气阴极(air cathode)一般存在缓慢腐蚀的问题,尤其是在大电流充电时。多数电极在反复充放电500多小时以后,就会出现机械性能明显变差和电池漏液,最终导致整个电池停止工作。非碳基催化电极的研究成为一个必然的选择。在使用多孔高导电的泡沫镍作为基底负载,金属氧化物作为阴极时,我们发现充放电过程都有两个电压平台。从而对这一现象进行了长达三年多的系统研究。


Q:在研究过程中遇到的最大挑战在哪里?

A:以反复充放电500多小时做参照起点,在多个步骤上都存在着不同程度的挑战,比如泡沫镍负载尖晶石态镍钴氧化物在反复充放电中的稳定性问题、活性物质负载量的测定、循环测试的长耗时以及电化学反应的一些机理探讨与确定。幸运的是这些问题最后基本都得到较好的解决。


Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?

A:这种新型可充电池具有十分独特的优点:较高工作电压、寿命长、容量大且安全性好,使它不仅在智能电网、可再生能源存储有良好的应用前景,也有望作为经济可靠的电源在电动工具、纯电力或混合动力车以及通讯等领域得到广泛的应用,同时相信这项成果也会启发更多其它类型的高性能多功能复合电池的研发。


导师介绍

宗昀

http://www.x-mol.com/university/faculty/39446

刘昭林

http://www.x-mol.com/university/faculty/39447

张华

http://www.x-mol.com/university/faculty/39443


Copyright © 河北钢材价格联盟@2017