华南理工大学刘军JACS：具有宽工作温度范围的准固态锌空气电池

研究内容

准固态锌空气电池通常表现出有限的倍率能力（<10 mA cm-2），主要是由于氧气电催化缓慢和电化学界面不稳定。

华南理工大学刘军报告了一种现实的准固态锌空气电池，其特征是多活性位点的MnFeCoNiRu高熵合金均匀地锚定在碳纳米纤维（MnFeCoNiRu/CNF）中作为空气阴极，聚（丙烯酰胺-丙烯酸共聚物）有机水凝胶作为防冻导体电解质。MnFeCoNiRu/CNF对可逆氧反应表现出极好的双功能活性（ΔE=0.64 V）和稳定性（>10000次循环），优于商业Pt/C和RuO2，这主要是由于MnFeCoNiRu/CNF在氧反应中具有不同的活性位点，如原位拉曼光谱和密度泛函理论所证明的。7.15 Ah的高容量和110 Wh kgcell−1的能量密度通常在500 mA和250/500 mAh条件下进行循环测试的准固态锌空气电池中测量。准固态锌空气电池在-50至60°C的宽温度范围内以5-2000 mA的速率有效运行。相关工作以“Ampere-Hour-Scale Quasi-Solid-State Zinc−Air Batteries with a Wide Operating Temperature Range (−50 to 60 °C)”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1. 作者介绍了商业上可行的安培小时级准固态锌空气电池，其具有7.15 Ah的超高电池容量和110 Wh kgcell−1的能量密度，在500 mA和250/500 mAh条件下进行循环测试，具有机械灵活性和宽的工作温度范围（-50至60°C）。

要点2. 材料设计策略包括将锚定在导电碳纳米纤维（CNF）基底（MnFeCoNiRu/CNF）中的小MnFeCoNiRu HEA纳米粒子固定为空气阴极，将聚（丙烯酰胺-丙烯酸共聚物）有机水凝胶（O-P（AAco-AM））固定为电解质。特别是，使用原位拉曼光谱来检测放电和充电过程中的信号，MnFeCoNiRu/CNF在不同电位下暴露出不同的活性位点，进一步实现了满足ORR/OER双功能要求的单一类型电催化剂。

要点3. 理论结果还验证了MnFeCoNiRu/CNF双功能催化通过电子相互作用和活性位点的自适应调节的优异性能。此外，设计的O-P（AA-co-AM）在QSSZAB中表现出完美的界面稳定性和宽的温度耐受性。由于其优异的电化学性能，这些材料资源促进了柔性QSSZABs的商业上可行的构建，重振了全固态电池的潜力。

研究图文

图1.MnFeCoNiRu/CNF的表征。

图2.电催化剂的电化学性能。

图3.有机水凝胶电解质的表征。

图4. MnFeCoNiRu/CNF基准固态ZABs在不同温度下的电化学性能。

图5. 安时标QSSZABs的电化学性能。

文献详情

Ampere-Hour-Scale Quasi-Solid-State Zinc−Air Batteries with a Wide Operating Temperature Range (−50 to 60 °C)

Tengteng Gu, Yunqi Jia, Linjie Zhang, Linwei Zhao, Jiadong Shen, Liuzhang Ouyang, Min Zhu, Jun Liu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.4c16807

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