一体化制备:助力高性能柔性电子发展

柔性可穿戴电子器件开始进入人们的视线,并受到人们的追捧。与之匹配的柔性储能器件开发对于柔性可穿戴电子器件的发展具有至关重要的作用。能量密度是衡量新型电化学储能器件性能的关键指标。锌空电池采用金属锌为负极,空气为正极,具有1084 Wh/kg的高理论能量密度,因而受到广泛关注。然而,空气正极的氧还原与氧析出的催化性能严重制约了电池的实际能量密度与充放电循环性能。四氧化三钴的碳基复合材料在碱性环境中具有良好的氧还原与氧析出双功能催化作用,是锌空电池空气极催化剂的很好选择。但是传统的空气极制备采用活性材料涂覆的方法,存在着活性材料分散性差,粘结剂增加界面电阻,活性材料与集流体结合力差等问题。锌空电池性能依然无法充分发挥。因此高性能催化剂与集流体一体化具有重要意义。

目前,天津大学胡文彬、钟澄研究团队设计了一种具有高效氧还原与氧析出催化性能的一体化空气电极以提高柔性锌空电池性能。该团队采用快速电沉积的方法在碳布的碳纤维表面原位平铺了一层氢氧化钴,通过热处理工艺,获得具有介孔的原子层厚度的四氧化三钴层,形成超薄介孔四氧化三钴与碳布复合的一体化空气电极。四氧化三钴与碳布具有最大的接触面积,有利于电子传输,另外,四氧化三钴平铺于表面,不易团聚。由于高利用率与高催化性能,质量催化活性是商业四氧化三钴涂覆碳布表面的10倍以上。以一体化制备的空气电极组装而成的柔性锌空电池具有高达546 Wh/kg的实际能量密度,展现出优异的充放电性能,在2 mA/cm2的充放电电流密度下,放电电压为1.03 V,充电电压未1.95 V。同时,电池具有良好的循环稳定性,无论是电化学循环稳定性,10小时充放电,还是机械循环稳定性,300次反复机械弯折,电池性能都没有明显的下降。

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此外,该团队将柔性锌空电池与柔性显示有机结合,形成一体化柔性电子器件。该电子器件不管是在弯折,还是扭曲,甚至是剪切破坏,都可以正常工作,没有明显的性能衰减,可以用于特殊工作环境,以及极限工况条件。从一体化的空气电极制备到一体化的柔性电子器件制备,一体化理念为高性能柔性化储能器件与柔性化电子器件的发展提供了新思路。

本工作以封面文章的形式发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700779)上,第一、第二作者为上海交通大学材料科学与工程系博士生陈徐、硕士生刘斌。

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