Advanced Science:三维氮掺杂泡沫碳包覆Co3Fe7/Co5.47N纳米颗粒构建集成式无粘结剂空气正极用于柔性铝空气电池

柔性和可穿戴电子产品快速发展,迫切需要高性能、低成本的电源。铝空气电池因其较高的理论能量密度(2796 Wh kg-1)、低成本、环境友好性、铝储量丰富、重量轻等特点,因此被认为是有前途的替代电源。然而,由于空气正极的氧还原反应的动力学缓慢,铝空气电池的功率密度无法令人满意,阻碍了其商业应用。因此,开发高效、稳定的氧电催化剂,对于加速缓慢的氧反应动力学,进一步提高铝空气电池的放电能力是必不可少的。此外,空气正极制备通常需要将催化剂粉末、炭黑和聚合物粘合剂浆料浇铸到集流体上来制造。在制备过程中,纳米结构催化剂容易团聚,大量的添加剂增加了空气电极重量和成本,非导电粘接剂会增加空气正极的内阻。因此,制备高活性的无添加剂和集成式空气正极,以克服高性能金属空气电池的挑战非常重要。因此,合理地设计高效性能的氧还原电催化剂,并构建无粘结剂和集成式的空气电极,对柔性铝空气电池发展具有十分重要的意义。   

上海交通大学孙宝德教授、付超鹏教授(通讯作者)等人通过界面控制,构建了三维氮掺杂泡沫碳包覆Co3Fe7/Co5.47N纳米颗粒(Co3Fe7@Co5.47N/NCF),作为碱性和中性柔性铝空气电池无粘结剂和集成式的空气正极。Co3Fe7@Co5.47N/NCF表现出优异的氧还原性能,其在碱性电解液中的起始电势为1.02 V,在半波中的正半波电势为0.92 V(在氯化钠溶液中为0.59 V),这归因于Co3Fe7和Co5.47N之间的独特界面结构,此外,三维氮掺杂碳泡沫结构可以促进电子和物质的快速传递。原位电化学拉曼光谱和密度泛函理论研究了Co3Fe7@Co5.47N/NCF表面的ORR反应过程中间物种。用这种材料组装的柔性铝空气电池具有199.6 mW cm-2的功率密度,与传统浇铸空气正极相比,无粘结剂和集成式正极显示出更好的放电性能。

这项工作为设计和合成高效的用于柔性铝空气电池提供了新的策略。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202000747)上。