Advanced Energy Materials:功能化修饰碳纤维助力实现无枝晶长寿命纤维状锌电池

随着人类社会的发展,地球上的化石能源逐渐耗尽,迫切需要可持续发展的安全、绿色能源。因此,在世界范围内掀起了新能源研究的热潮。在各种电池中,水系锌电池具有高电压、高容量和安全环保等优点,备受研究者的关注。同时,现在人们生活在信息互联化社会,无时无刻与数据、社会存在着频繁而密切地互动,穿戴式器件是实现人类与信息化社会无缝互联的桥梁,已经明显改变了人类社会的生活方式,而可穿戴储能设备又是穿戴式器件的关键核心部件之一,具有十分重要的支撑意义。然而,研发高性能的可穿戴储能设备如可穿戴纤维状电池,仍面临着许多挑战,包括如何实现构筑稳定、高性能的一维纤维电极、器件的柔韧性和金属电极的长寿命等。与此同时,可穿戴电池织物穿戴在人体上,应具有更高的安全性,且应当在出汗、洗涤或者雨水等不同的潮湿场景下具备良好的适应性。因此,研发用于可穿戴电子器件的高能量密度、长循环寿命同时兼具优异的柔韧性和防水性能的纤维状锌电池,具有很高的理论价值和实际应用前景。然而,目前纤维状锌电池的电化学性能和循环稳定性还有待提高,同时金属锌的不均匀沉积,易产生树枝状的锌枝晶,可能造成电池内部短路引起电池着火、爆炸等安全隐患。

近日,中物院化工材料研究所程建丽,王斌研究员联合阿贡实验室陆俊研究员,通过碳纤维表面的氮氧官能团修饰,制备了三维结构片状堆叠的纤维状锌负极材料。表面的氮氧官能团,能够明显提高基底与Zn的结合能力,增加Zn2+沉积活性位点,实现多次循环过程中,Zn的均匀沉积,很大程度上抑制了在传统锌丝使用中较为普遍的锌枝晶生长,有助于减少可能产生的锌损耗,从而有利于实现长周期地稳定循环。通过与单晶Co3O4纳米线阵列组成的纤维状正极材料组装,进一步构筑了纤维状锌电池。测试结果表明,在1 A cm-3电流下循环2000次,纤维状锌电池的容量保持率高达90%以上,能够提供5.63 mWh cm-3的体积能量密度,同时在不同弯曲角度下或者长达500次弯曲45度的测试后,纤维电池都具有稳定的电化学性能,呈现出优良的柔韧性。此外,通过防水处理,所制备的纤维状锌电池能够在水中持续工作33小时,可逆充放3000次,依然具有高的比容量和高的容量保持率(维持80%以上),展现出了在可穿戴储能领域中的应用潜力。

研究者相信,此项研究将会为未来高性能的可穿戴水系储能电池的研究打开一扇窗,并为高安全、长寿命新型电池的研究提供新的思路。相关的研究工作以“Dendrite‐Free Flexible Fiber‐Shaped Zn Battery with Long Cycle Life in Water and Air”为题,在线发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201901434)上,第一作者官群。