Zn-Air電池研究進展

撰文：XNN 所屬專欄：研之成理電化學天地

在過去的這一年中，鋅空電池的發展一直在穩中求進。新型催化劑材料的設計和製備以及柔性鋅空電池等方面的研究越來越多。今天，小編就帶大家簡單回顧一下鋅空電池在過去一年中的發展。

1.催化劑的進展

鋅空電池雙功能催化劑的發展目前除了對傳統催化劑（如傳統的金屬氧化物（尖晶石類以及鈣鈦礦類））的研究之外，人們開始廣泛研究MOF材料、Ni-Fe類非氧化物材料以及Cu、Bi等其它非Fe/Co/Ni的材料。其中對於傳統催化材料，研究者開始進一步轉向研究其反應機理。而在非傳統催化材料中，小編今天希望與大家分享一下Ni-Fe類非氧化物催化劑。Ni-Fe類非氧化物催化劑最初由於具有優異的OER性能被人們廣泛關注。而在最近一兩年的研究基礎上，這類材料亦開始表現出可進一步發展的ORR性能，從而最近開始作為雙功能材料應用於鋅空電池領域。

去年，在small（DOI: 10.1002/smll.201700099）上的一篇論文將Ni3FeN/NRGO催化劑應用於鋅空電池領域。

該文獻通過參考X. L. Hu等人在Nat. Commun的工作製備出Ni3FeN/NRGO。該材料表現出優異的OER與ORR活性。作者認為其優異的活性源於以下三個方面：1.超薄Ni3FeN納米片與NRGO進行了緊密地耦合，加強了其在OER和ORR過程中電荷轉移和協同效應; 2. Fe的摻雜提高了催化劑的OER活性，同時進一步增加了Ni3FeN的穩定性; 3. NRGO高度分散了Ni3FeN材料，有效避免了Ni3FeN的團聚。特別是該文獻率先論證Ni-Fe-N-C催化體系具有優異的OER和ORR活性。以下是這篇文獻的主要內容：

優異的OER活性：

差強人意的ORR活性：

催化劑ORR性能的DFT計算：

另附上相關材料的相關文獻：

[1] Lu Wang, Yizhen Wu, Rui Cao, Lantian Ren, Mingxing Chen, Xiao Feng, Junwen Zhou, Bo Wang. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 16736-16743.

[2] Ela Nurlaela, Tatsuya Shinagawa, Muhammad Qureshi, Dattatray S. Dhawale, Kazuhiro Takanabe. ACS Catal. 2016, 6, 1713-1722.

[3] Mikaela Go?rlin, Petko Chernev, Jorge Ferreira de Araujo, Tobias Reier, So?ren Dresp, Benjamin Paul, Ralph Krahnert, Holger Dau, Peter Strasser. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5603-5614.

[4] Yanguang Li, Ming Gong, Yongye Liang, Ju Feng, Ji-Eun Kim, Hailiang Wang, Guosong Hong, Bo Zhang, Hongjie Dai. Nat. Commun. 4, 1805. DOI: 10.1038/ncomms2812.

[5] Nengneng Xu, Jinli Qiao, Qi Nie, Min Wang, He Xu, Yudong Wang, Xiao-Dong Zhou. http://dx.doi.org/10.1016/j.cattod.2017.10.020

2.柔性鋅空電池

小編認為催化劑依然是鋅空電池研究的重點；同時不可忽略的是，柔性鋅空電池亦成為了該領域的研究熱點。這一領域目前的研究主要從兩方面入手：

1以催化劑為主的柔性鋅空電池；2以電解質為主的柔性鋅空電池

其中以催化劑為主的文章，我們可以關注Xinbo Zhang組2016年的一篇J. Am. Chem. Soc.《In Situ Coupling of Strung Co4N and Intertwined N?C Fibers toward Free-Standing Bifunctional Cathode for Robust, Efficient, and Flexible Zn-Air Batteries》；該文獻以整合具有高OER性能的Co4N和高活性的Co-N-C的催化劑為初衷，同時以ZIF-67與polypyrrole nanofibers network為原料一步原位製備出高性能Co4N/CNW/CC雙功能催化劑，特別是polypyrrole nanofibers network直接轉變為具有柔性特徵的碳纖維並作為催化劑的支持體。此外，該這篇文章亦有利於啟發以靜電紡絲技術製備催化劑的研究者進行柔性鋅空電池中的運用。進行催化劑相關的物理性質表徵，如圖所示：

然後進行相關的三電極測試以表徵其相應的電化學性能，如圖所示：

接著進行相關的電池性能測試，如圖所示：

其中上圖中的（b）可使用燃料電池測試系統進行測試，亦可採用電化學工作中（如CHI系列）採用放電極化曲線測試的模式對鋅空電池進行兩電極測試（即紅白線接鋅電極，綠線接空氣電極）；圖(c)則可以通過任何一種充放電裝置（這時需人為的設置電流，一般從5mA/cm2增加到10mA/cm2，最後增加到100或者200 mA/cm2均可，一般時間間隔為1s/mA）（如LAND）或者電化學工作站(採用電化學工作則可直接測量，更加準確)。

最後文獻進行了柔性鋅空電池的相關測試；如圖所示：

然後進行膜的相關性能測試，如含水率、電導率以及機械強度等；如圖所示：

最後在進行柔性鋅空電池的相關測試；如圖

綜述所述，柔性鋅空電池主要還是以上兩篇文獻的布局方式，大家可以參考並進行相關實驗設計。

最後，小編討論一下柔性鋅空電池與全固態鋅空電池的聯繫與區別：

如上圖的集合關係，我們可以明顯的看出柔性鋅空電池與全固態鋅空電池的關係。柔性鋅空電池主要考察鋅空電池是否具有良好的柔韌性，不考慮電解質的成分，整個電池具有柔韌性即可；而全固態鋅空電池則明確指出鋅空電池的電解質必須為全固態電解質，而不再是KOH的水系體系；因此全固態鋅空電池要想成為柔性鋅空電池，則必須保證鋅空電池的各個組件均具備柔韌性即可。

另附上柔性鋅空電池相關文獻：

[1] Xu Chen, Bin Liu, Cheng Zhong, Zhi Liu, Jie Liu, Lu Ma, Yida Deng, Xiaopeng

Han, Tianpin Wu, Wenbin Hu, Jun Lu. Adv. Energy Mater. 2017, 1700779.

[2] Jing Zhang, Jing Fu, Xueping Song, Gaopeng Jiang, Hadis Zarrin, Pan Xu, Kecheng Li, Aiping Yu, Zhongwei Chen. Adv. Energy Mater. 2016, 1600476.

[3] Jing Fu, Jing Zhang,a Xueping Song, Hadis Zarrin,a Xiaofei Tian, Jinli Qiao,

Lathanken Rasen, Kecheng Li, Zhongwei Chen. Energy Environ. Sci., 2016, 9, 663-670.

[4] Fanlu Meng, Haixia Zhong, Di Bao, Junmin Yan, Xinbo Zhang. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10226-10231.

[5] Nengneng Xu, Yuyu Liu, Xia Zhang, Xuemei Li, Aijun Li, Jinli Qiao, Jiujun Zhang. Scientific Reports, 6, 33590. http://doi.org/10.1038/srep33590.

最後，目前就鋅空電池而言，大家可關注Hongjie Dai、Xinhe Bao、Zhongwei Chen、Jinli Qiao、Pucheng Pei、Qiang Zhang以及Xinbo Zhang等課題組的相關工作。

歡迎大家提出相關問題，小編會在後續推文中給大家解答，謝謝大家!

相關綜述文獻：

[1] Yanguang Li, Hongjie Dai. Chem. Soc. Rev.,2014, 43, 5257-5275.

[2] Dong Un Lee, Pan Xu, Zachary P. Cano, AliGhorbani Kashkooli, Moon Gyu Park, Zhongwei Chen. J. Mater. Chem. A, 2016, 4,7107-7134.

[3] Jing Fu, Zachary Paul Cano, Moon Gyu Park,Aiping Yu, Michael Fowler, Zhongwei Chen. Adv. Mater. 2017, 29, 1604685. DOI:10.1002/adma.201604685.

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！