Эффективный и экономичный подход к созданию гибких катодов разработан в исследовании, опубликованном в журнале Nanomaterials .

Исследование: Co ₃ O ₄ Наноигольчатая матрица, выращенная на углеродной бумаге для воздушных катодов в направлении гибкого и перезаряжаемого Zn – Air Батареи. Изображение предоставлено: Viking75 / Shutterstock.com

В этом исследовании толстая мезопористая пленка Co ₃ O ₄ была впервые синтезирована на месте с использованием гидротермального метода на поверхности разрезанных углеродных волокон (CF). Затем была произведена бумага из углеродного волокна (Co ₃ O ₄ / CP) в виде гибкой воздушно-цинковой батареи (ZAB) с использованием технологии производства влажной бумаги.

( a ) Изображение EDS Co ₃ O ₄ / поверхность CF, ( b ) СЭМ и изображение распределения элементов Co Co ₃ O ₄ / CP. Изображение предоставлено: Ли, З. и др.

Эпоха вторичных энергетических батарей

Аккумуляторные батареи вторичной энергии, являясь перерабатываемой и возобновляемой системой экологически чистой энергии, доказали свою способность заменить большую часть задач, связанных с традиционным ископаемым топливом. Таким образом, они находят широкое применение в смартфонах, автомобилестроении, авиации и других секторах, поскольку требования к экологической безопасности и простоте использования энергии возросли.

В последние годы активизировались исследования по оптимизации аккумуляторных блоков вторичной энергии в отношении срока службы, удельной емкости, скоростных характеристик и т. Д.

<img alt=" Микро-КТ изображение воздушного катода Co3O4 / CP. (a) вид спереди, (b) вид сверху, (c) вид сбоку. "src =" https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_38349_16391338662095974.png "style =" width: 2000px; height: 1224px; "width =" 2000 "height =" 1224 "/>

Микро-КТ изображение Co ₃ O ₄ / воздушный катод CP. ( a ) Вид спереди, ( b ) Вид сверху, ( c ) Вид сбоку. Изображение предоставлено: Ли, З. и др.

Разработка цинковоздушных батарей

Как одна из систем вторичных батарей, воздушно-цинковые батареи (ZAB) обладают хорошими эксплуатационными характеристиками, такими как высокая удельная емкость и плотность тока, что делает их подходящей альтернативой для гибких аккумуляторов энергии.

Материал анода, обычно используемый для воздушно-цинковых батарей, представляет собой коммерчески доступный графит, который, к сожалению, демонстрирует слабые циклические характеристики и не соответствует требованиям гибкого оборудования. В результате возникает острая необходимость в замене товарного графита более качественными пластичными анодными материалами.

Благодаря своей превосходной прочности на разрыв, высокой электропроводности и исключительной гибкости углеродное волокно (CF) стало идеальным вариантом для замены обычных графитовых анодов.

Благодаря своей более низкой стоимости и обширным запасам катализаторы из недрагоценных металлов начинают заменять классические катализаторы из драгоценных металлов, таких как золото и рутений.

Все недрагоценные металлические системы обладают каталитическим действием в присутствии основного электролита. В результате катализатор двойной роли на воздушном катоде оказывает значительное влияние на возможности и возможность зарядки гибких воздушно-цинковых батарей.

Благодаря своей нанопористой архитектуре, обширным запасам, превосходным каталитическим характеристикам и устойчивости к щелочам наноструктурированный Co ₃ O ₄ стал очень многообещающим катализатором двойного действия; материалы на основе углерода после гибридизации и Co ₃ O ₄ демонстрируют сильные характеристики реакции восстановления кислорода (ORR).

Были проведены некоторые исследования по созданию волокнистого ZAB. Однако недостатком волокнистых ячеек является их крошечный размер и ограниченная электрическая емкость. В результате разработка упрощенной и непрерывной одномерной загрузки пленки катализатора из углеродного волокна и метода двумерной интеграции имеет решающее значение.

<img alt=" (a) Схематическое фото Co3O4 / CP; (б) ТГА-спектры CF, Co3O4 / CF, Co3O4 / CP; c) испытание на растяжение CP, коммерческого CP, Co3O4 / CP; (d) Кривая десорбции азота. "src =" https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_38349_16391336911166998.png "style =" width: 2000px; height: 1602px; "width =" 2000 "height =" 1602 "/>

( a ) Схематическое фото Co ₃ O ₄ / CP; ( b ) Спектры ТГА CF, Co ₃ O ₄ / CF, Co ₃ O ₄ / CP; ( c ) Испытание на растяжение CP, коммерческого CP, Co ₃ O ₄ / CP; ( d ) Кривая десорбции азота. Изображение предоставлено: Ли, З. и др.

Подробности исследования

Нарезанные углеродные волокна использовались в качестве прекурсоров и углеродных компонентов в этом исследовании для эффективного создания воздушных электродов Co ₃ O ₄ / CP с использованием методов гидротермального производства и мокрого формования.

Цинково-воздушная батарея была изготовлена ​​и подготовлена ​​с использованием быстрой и простой процедуры ламинирования. Увеличенная удельная площадь и активные площади углеродного волокна с единичным разрезом после обработки травлением диоксидом углерода привели к гораздо более высокой степени адгезии Со, что полезно для повышения каталитической эффективности.

Используя Co ₃ O ₄ / CP в качестве материала для воздушного катода, произведенная воздушно-цинковая батарея продемонстрировала отличные характеристики в обоих направлениях и высокую циклическую стабильность зарядки и разрядки. , а также способность функционировать в диапазоне складчатых ориентаций.

Эти ультратонкие бумажные композитные электродные материалы, которые обладают значительным потенциалом, будут способствовать дальнейшему ускорению роста производства воздушно-цинковых батарей в области различных гибких и носимых устройств накопления энергии.

<img alt=" Гибкая система сборки воздушно-цинковых батарей и их применение. (а) статическое напряжение решетки; (б) гибкость массива; (c) напряжение износа массива. "src =" https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_38349_16391337552592278.png "style =" width: 2000px; height: 490px; "width =" 2000 "height =" 490 "/>

Гибкая система сборки воздушно-цинковых батарей и их применение. ( a ) Статическое напряжение массива; ( b ) гибкость массива; ( c ) напряжение износа массива. Изображение предоставлено: Ли, З. и др.

Основные выводы

Качество работы электрода Co ₃ O ₄ / CP для реакций осаждения и восстановления кислорода значительно выше по сравнению со стандартной копировальной бумагой той же марки благодаря отличным характеристикам электрокаталитическая активность пленки Co ₃ O ₄ и высокая электрическая проводимость активного материала.

Co ₃ O ₄ / CP обладает высокой механической прочностью и высокой электропроводностью благодаря технологии мокрого производства бумаги. Кроме того, сконструированный ZAB обладает исключительными электролитическими характеристиками.

Эта традиционная технология производства бумаги открыла новые возможности для разработки гибких воздушных электродов. Комбинация последовательной загрузки каталитической пленки Co ₃ O ₄ и технологии интеграции сетки из углеродного волокна увеличивает однородность внутренней загрузки и продолжение процесса. В результате, этот воздушный катод на бумажной основе имеет многообещающие перспективы для перезаряжаемых гибких систем воздушно-цинковых батарей.

Читать далее: Сбор естественной энергии на кончиках ваших пальцев.

Ссылка

Ли, З., Хань, В., Цзя, П., Ли, X., Цзян, Ю., и Дин, К. (2021) Ко ₃ O ₄ Наноигольчатая матрица, выращенная на бумаге из углеродного волокна для использования в качестве воздушных катодов в гибких и перезаряжаемых Zn-воздушных батареях. Наноматериалы, 11 (12). Доступно по адресу: https://www.mdpi.com/2079-4991/11/12/3321/htm[19459007impression

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.