电纺纤维在锌-空气电池中的应用研究进展
发布时间：2021-01-13 08:01
日益严重的环境污染与能源危机成为人类社会可持续发展进程中的最大阻碍。锌-空气电池作为一类很有发展潜力的电化学储能装置,因其高能量密度和环境友好等特点在能源领域引发了广泛关注,然而空气电极中的氧还原反应和析氧反应动力学缓慢,严重限制了它的商业化应用,因此当前迫切需要开发高效廉价的非贵金属双功能催化剂。静电纺丝制备的一维纳米纤维具有高孔隙率和大比表面积等优点,缩短了离子扩散距离并提供了更多的反应活性位点,有效改善了活性物质的嵌入/脱出反应动力学,在储能器件领域尤其是锌-空气电池中有广阔的应用前景。首先简要介绍了静电纺丝技术,然后探讨了电纺纤维及其自支撑结构的氧还原/析氧反应的催化反应活性,并通过经典的文献案例讨论了电纺纤维在液态和柔性固态锌-空气电池中的应用研究最新进展,最后,对基于电纺纤维催化剂的锌-空气电池应用面临的挑战和未来的发展方向进行了展望。
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(Z1)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
可循环充放电的液态ZABs的装置示意图(a);基于La Ni0.85Mg0.15O3和La Ni O3催化剂的液态ZABs的极化曲线和功率密度曲线(b)，由两个液态ZABs串联供电的LED显示屏显示“BINN”字样(c)，基于不同催化剂的液态ZABs在恒定电流密度10 m A·cm-2时的充放电循环测试，每圈持续时间为30 min(d)[38]
液态ZABs易受体积过大以及不易储存和运输等因素的影响。近年来，电子手表、可折叠曲面电子屏幕等可穿戴电子设备迅速进入公众视野，基于电纺纤维催化剂的柔性可穿戴储能器件，特别是具有较好力学性能的柔性固态ZABs(图5a)是目前的研究热点，例如用被编织在衣服中的固态ZABs为手机(图5b)和手表(图5c)供电[24]。柔性固态ZABs由凝胶电解质、阴极(与液态ZABs的气体扩散电极相同)和阳极(锌箔)组成(图5a)。电纺纤维催化剂，尤其是电纺纤维自支撑催化剂具有优异的机械韧性和强度，以及大长径比和高孔隙率等特点，使其在作为ZABs的空气电极时表现出令人满意的长循环寿命和高比容量，在此，表4列出并比较了近期报道的基于电纺纤维催化剂的柔性固态ZABs的电池性能，可以看到这些电池均表现出良好的充放电稳定性和较低的可逆过电位。其中，Ji等在电纺纤维上均匀分布含Co的碳纳米管/碳纳米片，再经过氮掺杂得到CoNCNTF/CNF电纺纤维自支撑催化剂，如图5d和5i所示[43]，基于该催化剂的柔性固态ZABs展现出63 mW·cm-2的较大峰值功率密度，在充放电循环测试68个周期后仍可以保持0.29 V的可逆过电位。此外，它在不同折叠角度下显示出良好的电池稳定性(图5e～5h)[43]。该电池优异的电池性能得益于Co锚定的纳米片均匀分布在纳米纤维表面使得催化剂表面化学成分得到优化，展现出优异的ORR/OER催化活性以及低过电位，同时明显改善ZABs的电池性能。以上介绍的具有良好电池性能的示例表明了基于电纺纤维催化剂的柔性固态ZABs改善储能器件性能的可行性，未来有望研发出更加实用的储能器件。5 结语
100多年前，Zeleny首次公开了静电纺丝技术，多年来，该技术以简单、高效、廉价和高度可重复性的优点被证明是一项出色的纤维制备技术[21]。静电纺丝以一系列不同的聚合物为前驱体溶液，可制备出直径从毫米级别到纳米级别的超细纤维，这些聚合物不仅包括聚丙烯腈(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]。静电纺丝制备纳米纤维的基本装置如图1a所示，它主要由3个部分构成，包括带有金属针的喷丝头、接地的平面或鼓形收集器以及高达3000 k V·m-1的高压电源[23]。静电纺丝制备纤维的第一步，是在喷丝头和收集器之间施加一个强大的电场，按照设定的推进速率将提前制备好的聚合物前驱体溶液从喷丝头顶端滴入电场中，高压使得液滴带电，电荷被均匀地分布在液滴表面，此时液滴同时受到方向相反的表面张力和静电力的作用，随着电场强度的增加，两者相互作用促使液滴由球状被逐渐拉长为丝状形成圆锥形的泰勒锥;当外加电压超过临界电压时，静电力克服表面张力，然后在这种不稳定的高速振荡状态下从泰勒锥中喷射出一条拉长的细丝状流，同时伴随有溶剂的蒸发;最后，直径可控的超细纤维凝固在接地的收集器上。最近几十年来，由于通过静电纺丝制得的电纺纤维具有优异的机械性能(包括韧性和强度)、高孔隙率、大比表面积和形貌可控等优点，静电纺丝已经发展成为一种简便适用的制备工艺，引起了人们的关注并且广泛应用到了一些新兴领域，其中包括ZABs，例如基于电纺纤维催化剂的柔性固态ZABs(图1b[24])和液态ZABs(图1c[25]和1d[26])。纳米纤维形貌的可控制备是静电纺丝技术的一大亮点，可以通过改变工艺参数(聚合物和添加剂的类型、粘度、施加电压的强度和液体流速)和调节后续处理参数(煅烧次数、温度和时间)来相对容易地调节和控制尺寸(长度和直径)、形态(球体或纤维)和结构(实心、空心、核/壳、管中管或大孔洞)。不同的电纺纤维形貌会改变其催化活性，本文总结了几种科研人员研究较多的电纺纤维形貌，如Ji等将金属Ni和Mn锚定在羧基改性的多孔电纺纤维载体中得到实心结构的纳米纤维，其显示出超低的ORR/OER过电位，应用于ZABs中显示出高功率密度和较长的循环寿命，其优异的电化学性能可归因于不同金属Ni、Mn之间的异质界面和一维多孔纳米纤维(图2a)的协同作用[27]。Pan等、Peng等和Wu等则通过精准调控，分别报道了核/壳结构(图2b)[28]、中空结构(图2c)[29]和表面有大量不规则大孔洞(图2d)[30]的电纺纤维。此外，Chen等报道了一种管中管结构的电纺纤维(图2e)[31]，而Zhang等更是在管中管结构内部制造出空心管，得到一种更为复杂的结构(图2f)[32]。为制备多层管状这类巧妙的结构，需要通过一个包含多个同轴注射器的喷丝头先行制备纳米纤维，外部的注射器装载的是聚合物前驱体溶液，而对应空心部分的注射器则装载可被特定溶液溶解的液体，从而可选择性地去除中间不要的部分，同时保留内部和外部聚合物部分，最终得到管中管结构。多层管状结构极大地增加了电纺纤维的比表面积，同时暴露出更多的活性位点，从而使得电解质更易于同催化剂表面接触，阴极活性物质氧气更易被吸附，研究表明管状结构的电纺纤维作为催化剂将同时降低ORR和OER的反应势垒，在ZABs测试中展现出优异的电池性能。
本文编号：2974528
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(Z1)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
可循环充放电的液态ZABs的装置示意图(a);基于La Ni0.85Mg0.15O3和La Ni O3催化剂的液态ZABs的极化曲线和功率密度曲线(b)，由两个液态ZABs串联供电的LED显示屏显示“BINN”字样(c)，基于不同催化剂的液态ZABs在恒定电流密度10 m A·cm-2时的充放电循环测试，每圈持续时间为30 min(d)[38]
液态ZABs易受体积过大以及不易储存和运输等因素的影响。近年来，电子手表、可折叠曲面电子屏幕等可穿戴电子设备迅速进入公众视野，基于电纺纤维催化剂的柔性可穿戴储能器件，特别是具有较好力学性能的柔性固态ZABs(图5a)是目前的研究热点，例如用被编织在衣服中的固态ZABs为手机(图5b)和手表(图5c)供电[24]。柔性固态ZABs由凝胶电解质、阴极(与液态ZABs的气体扩散电极相同)和阳极(锌箔)组成(图5a)。电纺纤维催化剂，尤其是电纺纤维自支撑催化剂具有优异的机械韧性和强度，以及大长径比和高孔隙率等特点，使其在作为ZABs的空气电极时表现出令人满意的长循环寿命和高比容量，在此，表4列出并比较了近期报道的基于电纺纤维催化剂的柔性固态ZABs的电池性能，可以看到这些电池均表现出良好的充放电稳定性和较低的可逆过电位。其中，Ji等在电纺纤维上均匀分布含Co的碳纳米管/碳纳米片，再经过氮掺杂得到CoNCNTF/CNF电纺纤维自支撑催化剂，如图5d和5i所示[43]，基于该催化剂的柔性固态ZABs展现出63 mW·cm-2的较大峰值功率密度，在充放电循环测试68个周期后仍可以保持0.29 V的可逆过电位。此外，它在不同折叠角度下显示出良好的电池稳定性(图5e～5h)[43]。该电池优异的电池性能得益于Co锚定的纳米片均匀分布在纳米纤维表面使得催化剂表面化学成分得到优化，展现出优异的ORR/OER催化活性以及低过电位，同时明显改善ZABs的电池性能。以上介绍的具有良好电池性能的示例表明了基于电纺纤维催化剂的柔性固态ZABs改善储能器件性能的可行性，未来有望研发出更加实用的储能器件。5 结语
100多年前，Zeleny首次公开了静电纺丝技术，多年来，该技术以简单、高效、廉价和高度可重复性的优点被证明是一项出色的纤维制备技术[21]。静电纺丝以一系列不同的聚合物为前驱体溶液，可制备出直径从毫米级别到纳米级别的超细纤维，这些聚合物不仅包括聚丙烯腈(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]。静电纺丝制备纳米纤维的基本装置如图1a所示，它主要由3个部分构成，包括带有金属针的喷丝头、接地的平面或鼓形收集器以及高达3000 k V·m-1的高压电源[23]。静电纺丝制备纤维的第一步，是在喷丝头和收集器之间施加一个强大的电场，按照设定的推进速率将提前制备好的聚合物前驱体溶液从喷丝头顶端滴入电场中，高压使得液滴带电，电荷被均匀地分布在液滴表面，此时液滴同时受到方向相反的表面张力和静电力的作用，随着电场强度的增加，两者相互作用促使液滴由球状被逐渐拉长为丝状形成圆锥形的泰勒锥;当外加电压超过临界电压时，静电力克服表面张力，然后在这种不稳定的高速振荡状态下从泰勒锥中喷射出一条拉长的细丝状流，同时伴随有溶剂的蒸发;最后，直径可控的超细纤维凝固在接地的收集器上。最近几十年来，由于通过静电纺丝制得的电纺纤维具有优异的机械性能(包括韧性和强度)、高孔隙率、大比表面积和形貌可控等优点，静电纺丝已经发展成为一种简便适用的制备工艺，引起了人们的关注并且广泛应用到了一些新兴领域，其中包括ZABs，例如基于电纺纤维催化剂的柔性固态ZABs(图1b[24])和液态ZABs(图1c[25]和1d[26])。纳米纤维形貌的可控制备是静电纺丝技术的一大亮点，可以通过改变工艺参数(聚合物和添加剂的类型、粘度、施加电压的强度和液体流速)和调节后续处理参数(煅烧次数、温度和时间)来相对容易地调节和控制尺寸(长度和直径)、形态(球体或纤维)和结构(实心、空心、核/壳、管中管或大孔洞)。不同的电纺纤维形貌会改变其催化活性，本文总结了几种科研人员研究较多的电纺纤维形貌，如Ji等将金属Ni和Mn锚定在羧基改性的多孔电纺纤维载体中得到实心结构的纳米纤维，其显示出超低的ORR/OER过电位，应用于ZABs中显示出高功率密度和较长的循环寿命，其优异的电化学性能可归因于不同金属Ni、Mn之间的异质界面和一维多孔纳米纤维(图2a)的协同作用[27]。Pan等、Peng等和Wu等则通过精准调控，分别报道了核/壳结构(图2b)[28]、中空结构(图2c)[29]和表面有大量不规则大孔洞(图2d)[30]的电纺纤维。此外，Chen等报道了一种管中管结构的电纺纤维(图2e)[31]，而Zhang等更是在管中管结构内部制造出空心管，得到一种更为复杂的结构(图2f)[32]。为制备多层管状这类巧妙的结构，需要通过一个包含多个同轴注射器的喷丝头先行制备纳米纤维，外部的注射器装载的是聚合物前驱体溶液，而对应空心部分的注射器则装载可被特定溶液溶解的液体，从而可选择性地去除中间不要的部分，同时保留内部和外部聚合物部分，最终得到管中管结构。多层管状结构极大地增加了电纺纤维的比表面积，同时暴露出更多的活性位点，从而使得电解质更易于同催化剂表面接触，阴极活性物质氧气更易被吸附，研究表明管状结构的电纺纤维作为催化剂将同时降低ORR和OER的反应势垒，在ZABs测试中展现出优异的电池性能。
本文编号：2974528
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