Small Structures综述:柔性可充锌空电池空气电极

可充电锌空电池(Zn air batteries, ZABs)具有较高的理论能量密度、低成本、电解液安全且低毒的特点,是目前比较有发展潜力的能量存储和转化装置。近几年,随着电子技术的迅速发展,柔性可穿戴电子设备在未来智能化生活中展现了很大的吸引力。柔性锌空电池因具有结构灵活可变、简单易操作、安全无毒的特点,是柔性电子器件理想的动力来源。锌空电池的阴极双功能催化剂及空气电极,是决定电池性能的重要影响因素。尤其是对于柔性电池,在提高电学性能的同时,还要保证其机械性能,即在一定的外力作用发生形变的情况下,电池仍能正常工作。因此空气电极的结构和组成设计,对于进一步提高柔性锌空电池性能起决定性作用。

纽约州立大学布法罗分校武刚教授和华东理工大学王晓霞副教授课题组总结了柔性锌空电池空气电极近年来所取得的进展,并对空气电极的重要影响因素进行了深入分析。综述主要内容包括:

1. 柔性锌空电池结构:目前柔性锌空电池仍处于发展初期,对其结构形态的研究仍主要围绕在一维“三明治型”、“共面结构”和二维“电缆型”结构。一维结构柔性电池因组装简单而吸引了许多关注,展现了其在光电器件中的潜在应用。而二维电缆结构的柔性锌空电池具有更高的能量密度和柔韧性,可直接编织在织物当中,为可穿戴设备提供电源,表现出更具潜力的发展前景。

2. 阴极双功能催化剂:在锌空电池的阴极,发生氧还原(ORR)和析氧反应(OER)两个过程,都是多电子转移的动力学慢反应过程,所以高活性的双功能电催化剂是提高电池能量密度和效率的基础。文章系统的总结了用于锌空电池的非贵金属复合催化剂,包括过渡金属氧化物,过渡金属及其合金,过渡金属硫属化合物、硒化物,及单原子掺杂的碳基材料,分别从结构、组成、机理方面进行了详细的介绍。

3. 一体化空气电极:空气电极是发生ORR、OER反应的场所,因此不但需要有高效的氧电化学反应催化剂,还需要具有多孔结构的电极,为参与反应的物质提供有效的传输通道。一体化空气电极是将双功能催化剂直接生长在柔性的基底上,避免了使用聚合物粘接剂和添加剂,使起催化作用的有效成分相对增加。而且,通过精确调控空气电极中碳基体的结构形貌,可获得定向排列的阵列结构,这种结构提供了更多的表面积,使催化活性中心充分与反应物接触,降低反应物的扩散路径和界面电阻,有效的提高的电催化效率和电池性能。同时,这一结构也增强了活性物质与柔性基体之间的相互作用,避免活性物质在电池形变过程中从柔性基体上脱落,提高了电池在长时间运行过程中的电化学稳定性和机械稳定性。

最后,综述文章提出了先进的柔性空气电极仍然面临的技术挑战,如上图所示,主要包括了五个相互关联的方面,即:柔性基体、双功能电催化剂、新颖的结构、适宜的表面特性及较强的相互作用。对于这些挑战,文章进行了进一步的讨论并提出了一些初步的设想,并对柔性电池的发展前景进行了展望。

论文信息:

Air Electrodes for Flexible and Rechargeable Zn-Air Batteries

Xiao Xia Wang, Xiaoxuan Yang, Hui Liu, Tao Han, Junhua Hu, Hongbo Li,* and Gang Wu*

Small Structures

DOI:10.1002/sstr.202100103

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100103