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(xué)楊誠(chéng)課題組利用鎳納米線陣列作為集流體應(yīng)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(shí)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(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介
楊誠(chéng)團(tuán)隊(duì)合影
楊誠(chéng)是清華大學(xué)深圳研究生院能源與環(huán)境學(xué)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(tuán)隊(duì)成員，團(tuán)隊(duì)目前主攻研究方向?yàn)槲⑿蛢?chǔ)能器件(超級(jí)電容器，鋰離子電池等)、新型電子封裝材料(導(dǎo)電銀漿、油墨，納米銀線透明導(dǎo)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(chéng)團(tuán)隊(duì)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(xué)術(shù)論文。同時(shí)，楊誠(chéng)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(jìn)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(qǐng)見課題組網(wǎng)站：http://www.energymaterialslab.org/
撰文：石璐 王騰(清華大學(xué)深圳研究院)
隨著對(duì)便攜式電子設(shè)備需求的快速增長(zhǎng)，超薄、柔性、高能量?jī)?chǔ)存性能的儲(chǔ)能設(shè)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(chǔ)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(fù)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(chéng)老師組引入超長(zhǎng)(長(zhǎng)度可達(dá)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(yùn)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(fù)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(fù)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(yīng)力，抑制鋅枝晶的生長(zhǎng)，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(dá)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(duì)于水系二次電池相關(guān)的學(xué)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(zhǎng)的特點(diǎn)。 該小組的研究人員稱，鎳鋅電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇需要進(jìn)一步探索、完善。但可以肯定的是，該工作對(duì)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
