可快速充電、高能量密度的柔性鎳鋅電池已被開發(fā)
清華大學楊誠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(xiàn)了高能量密度和優(yōu)異循環(huán)性能鎳鋅電池。相關(guān)成果近日發(fā)表于能源技術(shù)領(lǐng)域重要雜志 Nano Energy。
團隊簡介
楊誠團隊合影
楊誠是清華大學深圳研究生院能源與環(huán)境學部副教授，廣東省杰青獲得者，廣東省(首批)能源與環(huán)境材料創(chuàng)新團隊成員，團隊目前主攻研究方向為微型儲能器件(超級電容器，鋰離子電池等)、新型電子封裝材料(導電銀漿、油墨，納米銀線透明導電膜，紙質(zhì)電路板等)以及相關(guān)研究領(lǐng)域新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化等內(nèi)容。 近三年來，楊誠團隊在 Nat. Commun., Energ. Environ. Sci., Adv. Mater., ACS NANO., Adv. Func. Mater., Nano Energy., Nanoscale., J. Mater. Chem. A.等雜志發(fā)表多篇學術(shù)論文。同時，楊誠副教授也致力于相關(guān)研究領(lǐng)域新技術(shù)的推廣與產(chǎn)業(yè)化的進行，并與多家上市科技企業(yè)保持良好的合作關(guān)系。 詳情請見課題組網(wǎng)站：http://www.energymaterialslab.org/
撰文：石璐 王騰(清華大學深圳研究院)
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(guān)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(huán)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(chǎn)業(yè)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(zhuǎn)變以及鋅負極易生成鋅枝晶是造成其循環(huán)性能變差的主要原因。
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(zhì)的接觸面積以及單位面積負載量，從而有效地發(fā)揮活性物質(zhì)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(huán)后活性物質(zhì)所產(chǎn)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(huán)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(nèi)完成充電，而且在循環(huán)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(guān)的學術(shù)研究，該基于鎳納米線陣列結(jié)構(gòu)的鎳鋅電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長的特點。 該小組的研究人員稱，鎳鋅電池的結(jié)構(gòu)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(yōu)化、循環(huán)壽命的提高具有重要意義。
論文基本信息
【題目】An Ultrafast, high capacity and superior longevity Ni/Zn battery constructed on nickel nanowire array film
【作者】Chao Xu, Jie Liao, Cheng Yang, Ruozheng Wang, Dang Wu, Peichao Zou, Ziyin Lin, Baohua Li, Feiyu Kang, Ching-Ping Wong
【期刊】Nano Energy
【日期】2016.7.2【DOI】10.1016/j.nanoen.2016.07.035
【摘要】With the bloom of portable and wearable electronics, electrochemical storage devices featured with high performance, low-cost, safe, environmental-friendly, lightweight, thin and flexible features become more important than ever. Here, we construct a rechargeable Ni/Zn battery with a Co-doped Ni(OH)2 (CNH) and Zn materials on nickel nanowire arrays (NNA) for electrodes. The CNH cathodic material can be electrochemically deposited onto the NNA, which can deliver a high capacity of 346 mA h g-1 at current density of 5 A g-1. Co doping can effectively stabilize Ni(OH)2 with only ~10% capacity loss over 5 000 charge/discharge cycles at 30 A g-1. For anode, the design of Zn on NNA considerably lowers the risk of corrosion and dendrite form ation. As a result, ultrafast rechargeable Ni/Zn batteries are obtained, exhibiting a cell voltage of ~1.75 V, energy density of 148.54 Wh kg-1(4.05 Wh g-1) and power density of 1.725 kW kg-1 (based on the mass of active materials) with a charging time of < 1 minute. Additionally, the NNA –based aqueous Ni/Zn battery exhibits superior longevity (only ~12% capacity losses after 5 000 cycles). These features enable our Ni/Zn batteries a highly promising candidate for the next generation of flexible energy storage systems.
【鏈接】http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516302865
