長春應化所Adv. Energy Mater.：受人體毛細血管啟發的柔性鋰空氣電池正極

【引言】

近年來，可穿戴電子設備受到了人們的廣泛關注，柔性質輕的儲能器件已成為研究的主流，逐漸影響著人們的日常生活。金屬空氣電池具有低成本、環境友好和高能量密度等優點，被認為是理想的下一代儲能系統，尤其鋰空氣電池，具有高達3600Wh/kg的理論能量密度，在研究中取得了不俗的進展。雖然應用前景良好，但當前大多的鋰空電池仍不能滿足柔性儲能的需求，要么是正極材料的力學性能滿足不了反復彎曲中電池容量的保留率，要么是正極材料的制備方式比較復雜，難以大規模有效生產。

【成果簡介】

近日，中科院長春應化所張新波研究員（通訊作者）在Advanced Energy Materials上發表最新研究成果“Blood-Capillary-Inspired, Free-Standing, Flexible, and Low- Cost Super-Hydrophobic N-CNTs@SS Cathodes for High- Capacity, High-Rate, and Stable Li-Air Batteries”。在該文中，研究者受人體毛細血管結構啟發，在不銹鋼網上原位生長氮摻雜碳納米管(N-CNTs@SS)作為柔性自支撐電極材料。該材料中不銹鋼網提供優異的力學性能，多級N-CNT結構為不溶的放電產物提供足夠的空間，電子和氣體可以在相互交聯的N-CNT結構中自由穿行，其超疏水特性能防止水分侵入電池腐蝕負極金屬鋰。受以上協同作用影響，該材料具有非常優異的電化學性能，并且能夠在空氣中穩定運行。該研究為柔性鋰空氣電池的大規模應用特供了一個思路。論文的第一作者為該課題組楊曉陽博士。

【圖文導讀】

圖1 材料制備示意圖

圖2 a-c) N-CNTs@SS分別在700, 750, and 800 °C下的掃描電鏡圖；d) N-CNTs@SS在不同溫度下的XRD衍射花樣；e) C 1s和 f) N 1s在樣品XPS表征中的分峰；g) N-CNT的透射電鏡圖；h) N-CNTs@SS的SEM EDS表征。

圖3 a) 五種正極材料在500 mA g^?1電流密度下的放電容量； b) 三組不同正極材料在鋰氧電池中的倍率性能； c) N-CNTs@SS材料在不同電流密度下的放電容量； d) 三種正極材料在鋰氧電池中的充放電曲線； e) 三種正極材料在0.1 mV s^?1掃描速率下的循環伏安圖； f) N-CNTs@SS 在500 mA g^?1電流密度下的循環性能(比容量限制為1000 mA h g^?1)； g) 三種正極材料在500 mA g^?1電流密度下的終止放電電壓。

圖4 a)N-CNTs@SS正極材料放電后的SEM圖；b) 放電產物放大SEM圖(終止電壓2.2V)；c) N-CNTs@SS 正極再次充電后的SEM圖；d) N-CNT正極材料放電后的SEM圖；e) 放電產物放大SEM圖(終止電壓2.2V)；f) N-CNT正極再次充電后的SEM圖。

圖5 a) 線型柔性鋰空氣電池在不同彎曲和扭結狀態下點亮紅色LED顯示屏以及 b) 對應電壓； c)線型柔性鋰空氣電池在幾千圈彎曲后的充放電曲線；d) 柔性鋰空氣電池在0°到180°折疊時的開路電壓；鋰金屬負極在43% RH下循環后的XRD衍射花樣 e) 親水性碳正極 和 f) 超疏水N-CNTs@SS正極，插圖為鋰金屬負極在循環后的SEM圖。

【小結】

在這項工作中，研究者受人體毛細血管結構啟發，提出了一種新型柔性鋰空氣電池正極，該材料具有合適的多級結構、高電導率、優異的機械柔韌性和結構穩定性，制備方法溫和，成本較低等特性，表現出優良的電化學性能，包括高比容量、良好的倍率性能和循環穩定性。而且，該材料顯示出優異的超疏水特性，從而提高了電池器件在空氣中的穩定性。該研究為柔性鋰空氣電池走向應用提供了一個可行的方式。

文獻鏈接：Blood-Capillary-Inspired, Free-Standing, Flexible, and Low-Cost Super-Hydrophobic N-CNTs@SS Cathodes for High-Capacity, High-Rate, and Stable Li-Air Batteries (Adv. Energy Mater., 2018, DOI:?10.1002/aenm.201702242 )

張新波課題組方向簡介

本課題組主要從事清潔能源材料和高能化學電源等高效儲能基礎和應用研究。重點開展新型高效儲氫材料、鎳氫電池、燃料電池、鋰（離子、空氣、硫）電池、液流電池等方面的研究。戳我查看課題組詳細介紹。

本文由張新波課題組提供。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，請加入材料人電子電工材料學習小組（QQ群：482842474）。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH , 任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試，數據分析，上測試谷！