日益嚴重的環(huán)境污染與能源危機成為人類社會可持續(xù)發(fā)展進程中的最大阻礙。鋅-空氣電池作為一類很有發(fā)展?jié)摿Φ碾娀瘜W儲能裝置,因其高能量密度和環(huán)境友好等特點在能源領域引發(fā)了廣泛關注,然而空氣電極中的氧還原反應和析氧反應動力學緩慢,嚴重限制了它的商業(yè)化應用,因此當前迫切需要開發(fā)高效廉價的非貴金屬雙功能催化劑。靜電紡絲制備的一維納米纖維具有高孔隙率和大比表面積等優(yōu)點,縮短了離子擴散距離并提供了更多的反應活性位點,有效改善了活性物質(zhì)的嵌入/脫出反應動力學,在儲能器件領域尤其是鋅-空氣電池中有廣闊的應用前景。首先簡要介紹了靜電紡絲技術,然后探討了電紡纖維及其自支撐結構的氧還原/析氧反應的催化反應活性,并通過經(jīng)典的文獻案例討論了電紡纖維在液態(tài)和柔性固態(tài)鋅-空氣電池中的應用研究最新進展,最后,對基于電紡纖維催化劑的鋅-空氣電池應用面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向進行了展望。 

【文章來源】：中國材料進展. 2020,39(Z1)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

可循環(huán)充放電的液態(tài)ZABs的裝置示意圖(a);基于La Ni0.85Mg0.15O3和La Ni O3催化劑的液態(tài)ZABs的極化曲線和功率密度曲線(b)，由兩個液態(tài)ZABs串聯(lián)供電的LED顯示屏顯示“BINN”字樣(c)，基于不同催化劑的液態(tài)ZABs在恒定電流密度10 m A·cm-2時的充放電循環(huán)測試，每圈持續(xù)時間為30 min(d)[38]

液態(tài)ZABs易受體積過大以及不易儲存和運輸?shù)纫蛩氐挠绊�。近年來，電子手表、可折疊曲面電子屏幕等可穿戴電子設備迅速進入公眾視野，基于電紡纖維催化劑的柔性可穿戴儲能器件，特別是具有較好力學性能的柔性固態(tài)ZABs(圖5a)是目前的研究熱點，例如用被編織在衣服中的固態(tài)ZABs為手機(圖5b)和手表(圖5c)供電[24]。柔性固態(tài)ZABs由凝膠電解質(zhì)、陰極(與液態(tài)ZABs的氣體擴散電極相同)和陽極(鋅箔)組成(圖5a)。電紡纖維催化劑，尤其是電紡纖維自支撐催化劑具有優(yōu)異的機械韌性和強度，以及大長徑比和高孔隙率等特點，使其在作為ZABs的空氣電極時表現(xiàn)出令人滿意的長循環(huán)壽命和高比容量，在此，表4列出并比較了近期報道的基于電紡纖維催化劑的柔性固態(tài)ZABs的電池性能，可以看到這些電池均表現(xiàn)出良好的充放電穩(wěn)定性和較低的可逆過電位。其中，Ji等在電紡纖維上均勻分布含Co的碳納米管/碳納米片，再經(jīng)過氮摻雜得到CoNCNTF/CNF電紡纖維自支撐催化劑，如圖5d和5i所示[43]，基于該催化劑的柔性固態(tài)ZABs展現(xiàn)出63 mW·cm-2的較大峰值功率密度，在充放電循環(huán)測試68個周期后仍可以保持0.29 V的可逆過電位。此外，它在不同折疊角度下顯示出良好的電池穩(wěn)定性(圖5e～5h)[43]。該電池優(yōu)異的電池性能得益于Co錨定的納米片均勻分布在納米纖維表面使得催化劑表面化學成分得到優(yōu)化，展現(xiàn)出優(yōu)異的ORR/OER催化活性以及低過電位，同時明顯改善ZABs的電池性能。以上介紹的具有良好電池性能的示例表明了基于電紡纖維催化劑的柔性固態(tài)ZABs改善儲能器件性能的可行性，未來有望研發(fā)出更加實用的儲能器件。5 結語

100多年前，Zeleny首次公開了靜電紡絲技術，多年來，該技術以簡單、高效、廉價和高度可重復性的優(yōu)點被證明是一項出色的纖維制備技術[21]。靜電紡絲以一系列不同的聚合物為前驅(qū)體溶液，可制備出直徑從毫米級別到納米級別的超細纖維，這些聚合物不僅包括聚丙烯腈(PAN)和聚苯乙烯(PS)等非水溶性聚合物，也包括聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)等水溶性聚合物[22]。靜電紡絲制備納米纖維的基本裝置如圖1a所示，它主要由3個部分構成，包括帶有金屬針的噴絲頭、接地的平面或鼓形收集器以及高達3000 k V·m-1的高壓電源[23]。靜電紡絲制備纖維的第一步，是在噴絲頭和收集器之間施加一個強大的電場，按照設定的推進速率將提前制備好的聚合物前驅(qū)體溶液從噴絲頭頂端滴入電場中，高壓使得液滴帶電，電荷被均勻地分布在液滴表面，此時液滴同時受到方向相反的表面張力和靜電力的作用，隨著電場強度的增加，兩者相互作用促使液滴由球狀被逐漸拉長為絲狀形成圓錐形的泰勒錐;當外加電壓超過臨界電壓時，靜電力克服表面張力，然后在這種不穩(wěn)定的高速振蕩狀態(tài)下從泰勒錐中噴射出一條拉長的細絲狀流，同時伴隨有溶劑的蒸發(fā);最后，直徑可控的超細纖維凝固在接地的收集器上。最近幾十年來，由于通過靜電紡絲制得的電紡纖維具有優(yōu)異的機械性能(包括韌性和強度)、高孔隙率、大比表面積和形貌可控等優(yōu)點，靜電紡絲已經(jīng)發(fā)展成為一種簡便適用的制備工藝，引起了人們的關注并且廣泛應用到了一些新興領域，其中包括ZABs，例如基于電紡纖維催化劑的柔性固態(tài)ZABs(圖1b[24])和液態(tài)ZABs(圖1c[25]和1d[26])。納米纖維形貌的可控制備是靜電紡絲技術的一大亮點，可以通過改變工藝參數(shù)(聚合物和添加劑的類型、粘度、施加電壓的強度和液體流速)和調(diào)節(jié)后續(xù)處理參數(shù)(煅燒次數(shù)、溫度和時間)來相對容易地調(diào)節(jié)和控制尺寸(長度和直徑)、形態(tài)(球體或纖維)和結構(實心、空心、核/殼、管中管或大孔洞)。不同的電紡纖維形貌會改變其催化活性，本文總結了幾種科研人員研究較多的電紡纖維形貌，如Ji等將金屬Ni和Mn錨定在羧基改性的多孔電紡纖維載體中得到實心結構的納米纖維，其顯示出超低的ORR/OER過電位，應用于ZABs中顯示出高功率密度和較長的循環(huán)壽命，其優(yōu)異的電化學性能可歸因于不同金屬Ni、Mn之間的異質(zhì)界面和一維多孔納米纖維(圖2a)的協(xié)同作用[27]。Pan等、Peng等和Wu等則通過精準調(diào)控，分別報道了核/殼結構(圖2b)[28]、中空結構(圖2c)[29]和表面有大量不規(guī)則大孔洞(圖2d)[30]的電紡纖維。此外，Chen等報道了一種管中管結構的電紡纖維(圖2e)[31]，而Zhang等更是在管中管結構內(nèi)部制造出空心管，得到一種更為復雜的結構(圖2f)[32]。為制備多層管狀這類巧妙的結構，需要通過一個包含多個同軸注射器的噴絲頭先行制備納米纖維，外部的注射器裝載的是聚合物前驅(qū)體溶液，而對應空心部分的注射器則裝載可被特定溶液溶解的液體，從而可選擇性地去除中間不要的部分，同時保留內(nèi)部和外部聚合物部分，最終得到管中管結構。多層管狀結構極大地增加了電紡纖維的比表面積，同時暴露出更多的活性位點，從而使得電解質(zhì)更易于同催化劑表面接觸，陰極活性物質(zhì)氧氣更易被吸附，研究表明管狀結構的電紡纖維作為催化劑將同時降低ORR和OER的反應勢壘，在ZABs測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的電池性能。


本文編號：2974528