Nano Energy | 清華大學研發超長鎳納米線陣列 助力鎳鋅電池性能大提升

【引言】

清華大學楊誠老師課題組利用鎳納米線陣列作為集流體應用于水系堿性鎳鋅二次電池，制造出可快速充電、高能量密度的柔性鎳鋅電池，實現了高能量密度和優異循環性能鎳鋅電池。相關成果近日發表于能源技術領域重要期刊《Nano Energy》。

隨著對便攜式電子設備需求的快速增長，超薄、柔性、高能量儲存性能的儲能設備也日益受到人們的關注。相比于鋰離子電池，鎳鋅電池是一種具有高功率密度、良好安全性能（水性電解液）、材料成本低廉（鎳、鋅原材料儲量豐富）等特征的二次電池體系。但是由于其存在能量密度較低（30-40 Wh/kg）、循環壽命差（通常小于500次）等問題，直至目前為止沒有得到足夠的產業化重視。特別是在鎳鋅電池工作過程中，正極氫氧化鎳的晶型轉變以及鋅負極易生成鋅枝晶是造成其循環性能變差的主要原因。

【主要工作】

為解決以上問題，楊誠老師組引入超長（長度可達1毫米）、高度取向的鎳納米線（直徑為100多納米）陣列，利用其高效的自由電子和離子的輸運特性以及金屬納米線陣列的超親水特性，極大地提高了與活性物質的接觸面積以及單位面積負載量，從而有效地發揮活性物質的性能。將其作為集流體，通過負載摻鈷的氫氧化鎳和金屬鋅，能夠有效地釋放多次循環后活性物質所產生的應力，抑制鋅枝晶的生長，從而提高電池的能量密度和循環壽命。由此方法制造出的鎳鋅電池，能量密度可達到148.54 Wh/kg，功率密度為1.725 kW/kg，接近鋰離子電池的水平。該鎳鋅電池可以在1分鐘內完成充電，而且在循環5000圈后容量保持在初始值的88%。相比此前對于水系二次電池相關的學術研究，該基于鎳納米線陣列結構的鎳鋅電池具有能量密度高、循環壽命長的特點。

【圖文導讀】

圖1 柔性鎳鋅二次電池示意圖

(a) 陰極（CNH，即Co摻雜的Ni（OH）2）與陽極（金屬鋅）均用鎳納米線陣列膜作集流體。
(b) 鎳鋅電池的結構、工作機理以及涉及到的電化學反應。

圖2 材料的表征

(a) 鎳納米線陣列的SEM照片。
(b) 單根鎳納米線的放大的SEM照片。
(c) 沉積了CNH的鎳納米線陣列SEM照片。
(d) 鎳納米線-CNH核-殼結構鎳的TEM照片。
(e) 鎳納米線@CNH的放大的TEM照片（插圖為氫氧化物層的SAED圖）。
(f) NNA@CNH局部的STEM圖像。
(g)-(i) EDS能譜顯示的Ni，Co和O元素的分布照片。

圖3 元素分析

(a) NNA@CNH的XPS的全譜分析。
(b) NNA@CNH中O的譜線。
(c) NNA@CNH中Co的譜線。
(d) NNA@CNH中Ni的譜線。

圖4 NNA@CNH-1陰極的電化學性能測試

(a) NNA@CNH-1與NNA@ Ni（OH）2的CV曲線測試。
(b) 在3A/g條件下，NNA@CNH-1與NNA@ Ni（OH）2的GCD曲線測試。
(c) NNA@CNH-1在不同密度下的GCD曲線。
(d) NNA@CNH-1和NNA@Ni(OH)2的倍率性能。
(e) 在電流密度為5A/g的條件下測得的NNA@CNH-1電極的質量比電容和面電容。
(f) NNA@CNH-1與NNA@ Ni（OH）2的循環性能。

圖5 與NNA@Zn和Cu@Zn組成的全電池的電化學性能研究

(a) NNA@Zn和Cu@Zn兩電池的GCD曲線。
(b) NNA@Zn和Cu@Zn兩電池的倍率性能。
(c) NNA@Zn和Cu@Zn兩電池的EIS結果。
(d) NNA@Zn和Cu@Zn兩電池的循環性能

圖6 NNA@Zn電池器件水平上的評估

(a) 基于NNA的鎳-鋅堿性電池的GCD曲線。
(b) NNA-Ni/Zn電池以8A/g充電并以1A/g放電的GCD曲線。
(c) NNA-Ni/Zn電池在彎曲/平整狀態下的GCD曲線。
(d) 本文的鎳-鋅堿性電池的能量比較圖（能量密度基于兩極活性物質的質量）。
(e) NNA基Ni/Zn水系電池與最近報道的先進堿性電池的循環性能的比較（循環測試的條件已在圖中標出）。

【展望與意義】

該小組的研究人員稱，鎳鋅電池的結構設計和材料選擇需要進一步探索、完善。但可以肯定的是，該工作對鎳鋅電池電性能的優化、循環壽命的提高具有重要意義。

文獻鏈接：An Ultrafast, high capacity and superior longevity Ni/Zn battery constructed on nickel nanowire array film (Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.07.035)

本文由材料人網友石璐、廖杰、王騰供稿。

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