香港城市大學EES：新型富Co（III）電極實現高電壓和長壽命的水系Co3O4/Zn電池

【引言】

由于持續需求為便攜式電子產品和電動車輛提供動力，需要具有低成本和高安全性的先進儲能技術。除了廣泛使用的鋰離子電池以外，鋅基電池由于具有高容量和高離子電導率電解液，也是一種極具前途的選擇。但是，目前鋅基電池廣泛采用堿性電解質，其不環保、且電池的可再充電性和循環穩定性差，限制了它的發展。而環保和循環穩定性可以通過采用中性電解質來解決，因此，研發一種電解質為中性且性能優異的鋅基電池迫在眉睫。

【成果簡介】

近日，香港城市大學支春義教授的研究團隊在Energy &Environmental Science發表了一篇題為“Initiating A Mild Aqueous Electrolyte Co₃O₄/Zn Battery with 2.2 V-High Voltage and 5000-Cycle Lifespan by a Co(III) Rich-electrode”的文章。在這篇文章中，他們報告了一種富Co（III）Co₃O₄納米棒材料，采用其的Zn /富Co（III）Co3O4電池可以在CoSO₄和ZnSO₄的混合水溶液電解質中很好地工作，提供2.2 V的高電壓，容量為205 mAh g^-1（Co₃O₄）和極高的循環穩定性（在5000次循環后容量保持率為92％）。進一步的機理研究揭示了原位形成的CoO和Co₃O₄之間的轉換反應，這在堿性Zn / Co₃O₄電池中從未觀察到。隨后，構建了柔性固態電池，并且在0.5A g^-1的電流密度下顯示出高柔韌性和360.8Wh kg^-1的高能量密度。該研究制得了第一個使用中性電解液的Zn/Co₃O₄電池，且獲得了優異的電化學性能。這也表明，通過微調電極材料的原子結構可以有效改善電化學動力學，為提高水溶液電解質電池的性能打開了新的大門。

【圖文導讀】

圖一 生長在碳布上的富Co(III) Co₃O₄的結構和形貌表征

（a）X射線衍射譜圖;

（b）拉曼光譜;

（c，d）SEM圖像;

（e）沿著（220）和（311）面的晶格條紋;

（f）電子衍射圖譜;

（g）沿b軸觀察的晶體結構;

（h-j）STEM-HAADF圖像和能譜元素分布圖像.

?圖二 XPS圖譜和電化學測試

Co 2p的高分辨率XPS圖譜：（a）均衡的Co₃O₄，（b）富Co（III）的Co₃O₄；

（d）CV曲線；

（e）充放電極化曲線；

（f）在1 A g^-1電流密度下，初始500次的循環穩定性測試。

圖三 電化學測試（二）

0.2M CoSO₄和2M ZnSO₄的混合水溶液電解質中，Zn / 富Co（III）的Co₃O₄電池的電化學性能：

?（a）不同掃描速率下的CV曲線；

（b，c）倍率性能測試；

（d）長循環穩定性測試。

圖四 在電化學過程中富Co（III）Co₃O₄的電化學和結構變化

（a）在0.2M CoSO₄和2M ZnSO₄的混合水溶液電解質中，以及1 A g^-1電流密度下，第二次循環的充放電曲線 (點A-H表示進行拉曼分析的狀態) 。

（b）與圖（a）對應的Co₃O₄ 非原位拉曼光譜；

Co 2p的高分辨率XPS譜：（c）放電至0.8V，（d）充電至2.2V。

圖五 Co₃O₄在電化學過程中的形貌表征

第一次循環期間的富Co（III）Co₃O₄電極：（a-c）放電至0.8V，（e-g）充電至2.2V；

（d）放電狀態下，STEM-HAAD圖像和STEM-EDS圖像。電解質： 0.2M CoSO₄和2M ZnSO₄的混合水溶液電解質。

圖六 實際應用

固態Zn / 富Co（III）Co3O4電池（沉積在碳布上的富Co（III）Co3O4納米棒作為陰極，沉積在碳布上的Zn作為陽極，聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠作為電解質）：

（a）固態Zn / 富Co（III）Co3O4電池的結構原理圖；

（b）不同掃描速率下的CV曲線；

（c）倍率性能測試；

（d）長期循環穩定性測試；

（e）不同彎曲程度下的電化學性能；

（f）單電池為數字手表供電，以及不同彎曲度下，兩電池串聯為電致發光面板（尺寸：12 * 3cm）。

【小結】

該團隊通過在水熱過程中引入過量的鈷離子成功地制備了富Co（III）Co3O4納米棒。富Co（III）Co3O4在中性的2M ZnSO₄ 和 0.2M CoSO₄混合電解質中工作良好，其中CoSO₄用以抑制Co（II）溶解，從而克服了Zn / Co3O4電池只能在堿性電解液中工作的問題。Zn / 富Co（III）Co3O4電池具有極佳的循環穩定性，高電壓和高倍率性能。此外，還證明了對電極的原子結構進行微調會導致不同的電化學結果，從而為電池研究創造了更多的思路。

文獻鏈接：Initiating A Mild Aqueous Electrolyte Co3O4/Zn Battery with 2.2 V-High Voltage and 5000-Cycle Lifespan by a Co(III) Rich-electrode（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE01415A）

本文由材料人新能源學術組也樂供稿，材料牛整理編輯。

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