韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)Jung-Ho Lee教授課題組牽頭聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種新型(101)面磷硫化銅CPS(101)正極材料,和抗凍的聚糖生物纖維素(CBC)固態(tài)電解質(zhì)、鋅負(fù)極構(gòu)建出完整軟包鋅空電池,表現(xiàn)出超高的電化學(xué)性能,電池能量密度可達(dá)460Wh/kg,且穩(wěn)定循環(huán)6000余次,具備-20~80℃寬泛工作溫度區(qū)間和良好機(jī)械柔韌性,為新型高性能高安全性的電池提供了新路徑。研究人員首先通過(guò)涂覆、溶劑蒸發(fā)、真空干燥等步驟制備出了CPS(101)正極,隨后以CBC為固態(tài)電解質(zhì)、以鋅為負(fù)極組裝成完整的對(duì)稱(chēng)軟包鋅空電池;為了對(duì)比又同步制備了以傳統(tǒng)商業(yè)Pt/C為正極的電池。掃描電鏡測(cè)試結(jié)果顯示電池材料呈現(xiàn)三維多孔海綿狀,這有利于電解質(zhì)的充分接觸提升離子傳輸速度。與傳統(tǒng)商用的Pt/C正極材料電化學(xué)性能對(duì)比研究顯示,CPS(101)對(duì)氧還原反應(yīng)(ORR和OER)和析氫反應(yīng)(HER)表現(xiàn)出更強(qiáng)的電催化活性和更長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性。接著研究人員設(shè)計(jì)制備了抗凍的聚糖生物纖維素(CBC)固態(tài)電解質(zhì),通過(guò)對(duì)組分優(yōu)化調(diào)諧,CBC獲得了優(yōu)異的離子導(dǎo)電性(在25℃下導(dǎo)電率可達(dá)86.7mS/cm)、良好化學(xué)穩(wěn)定性(2500小時(shí)連續(xù)測(cè)試下離子交換能力僅下降1.1%)和機(jī)械穩(wěn)定性(195 MPa壓力下可以承受119%形變應(yīng)力)。隨后研究人員以CPS(101)為正極、CBC為電解質(zhì)、鋅為負(fù)極組裝成完整的軟包電池并開(kāi)展電化學(xué)性能研究。在25 mA/cm2放電電流密度下,電池獲得了高達(dá)460 Wh/kg放電比能量密度,且穩(wěn)定循環(huán)6000余次后仍可保持96%的初始比容量密度,表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)程循環(huán)穩(wěn)定性;且電池即使在200 mA/cm2工作電流密度下仍可正常工作,展現(xiàn)出良好的高倍率性能;更為關(guān)鍵是電池在-20~80℃溫度區(qū)間均能夠穩(wěn)定工作,具備了寬泛工作溫度區(qū)間,為電池提供了更加廣闊的應(yīng)用前景。
圖1 柔性軟包鋅空電池電化學(xué)性能
該項(xiàng)研究制備了新型的三維多孔正極磷硫化銅,結(jié)合高離子導(dǎo)電性、高氧還原和析氫催化活性的抗凍聚糖生物纖維素(CBC)固態(tài)電解質(zhì),組裝成高性能的軟包鋅空電池,獲得了高達(dá)460 Wh/kg放電比能量密度和6000余次長(zhǎng)程循環(huán)穩(wěn)定性,為開(kāi)發(fā)高性能長(zhǎng)壽命的新一代非鋰儲(chǔ)能電池指明了新方向。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature Energy》。
原標(biāo)題:新架構(gòu)助力全固態(tài)軟包鋅空電池性能取得突破