中國科學院蘇州納米所研究員周小春ACS Nano: 高功率密度輕柔燃料電池

【引言】

柔性器件由于其具有柔性、形狀可調節、輕便、優異的機械性能等諸多優點而廣受關注。盡管隨著研究的深入柔性器件已經取得了重大進步，但目前仍存在很多亟待解決的問題。質子交換膜燃料電池是一種新型的能源，其具有高能量密度、高轉換效率、環境友好等優點。但傳統的質子交換膜燃料電池由于需要使用石墨或者金屬作為氣流通道和集流體，導致其不僅又重又大，而且難以做成柔性器件。而自吸氣式的質子交換膜燃料電池雖然不需要再額外泵入空氣，但仍然需要使用石墨或金屬，仍很難使其做成柔性器件，且其能量密度要比傳統質子交換膜燃料電池小。研究人員基于以上問題設計了一種基于碳納米管的柔性質子交換膜燃料電池，其具有很高的功率密度以及優異的機械性能，并且器件本身重量輕、體積小、柔性好、成本低、利于大規模生產。

【成果簡介】

?近日，蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員周小春課題組通過設計一種新型的柔性復合電極從而制備出輕柔的吸氣式質子交換膜燃料電池。新型的柔性電極由碳納米管膜打孔后再復合碳紙制備而成，其具有優異的導電性、良好的柔性和高透氣性等優點，有利于反應物和產物的輸運。并且這種電極可同時作為氣體傳輸層和集流體，取代了傳統質子交換膜燃料電池中的石墨或金屬集流體，極大減小了燃料電池的體積和重量。由這種柔性電極制備出的質子交換膜燃料電池具有5190WL^-1的體積功率密度和2230Wkg^-1的質量功率密度，彎折600次后仍可以保留89.1%的性能，從30m高度落下5次后性能保持不變，展現出極高的功率密度和優異的機械性能。該工作發表在ACS Nano上，題為“Flexible and Lightweight Fuel Cell with High Specific Power Density”。

【圖文導讀】

圖1 不同質子交換膜燃料電池結構示意圖

a, 傳統質子交換膜燃料電池結構，空氣和氧氣被泵入電池內；

b, 吸氣式質子交換膜燃料電池結構，空氣自然滲透入電池內；

c, 柔性吸氣式質子交換膜燃料電池結構。

圖2 柔性和傳統質子交換膜燃料電池性能對比

a, b 分別為傳統和柔性吸氣式質子交換膜燃料電池照片，工作區域均為1×1cm²；

c, 傳統和柔性吸氣式質子交換膜燃料電池極化曲線。

圖3 柔性燃料電池的柔性復合電極組裝過程示意圖

a, 碳納米管膜的SEM照片，插圖為其截面照片；

b, 激光打孔后的碳納米管膜SEM照片；

c, 打孔后的碳納米管膜和碳紙復合的SEM照片；

d, 膜電極照片，不同顏色區分不同材料；

e, 柔性燃料電池光學照片。

圖4 碳納米管膜厚度對燃料電池性能的影響

a, 不同厚度碳納米管膜的方塊電阻；

b, 不同厚度碳納米管膜組裝的燃料電池的功率密度。

圖5 柔性燃料電池機械性能測試

a, 4×1cm柔性燃料電池彎折50°；

b, 柔性燃料電池彎折時的電流密度；

c, 600次彎折前后電池放電曲線對比；

d, 不同彎折角度下的電池性能；

e, 不同扭轉角度下的電池性能；

f, 不同彎折次數下的電極方塊電阻。

圖6 柔性燃料電池跌落測試

a, 跌落測試示意圖，跌落高度為30m；

b, 不同跌落次數下的電池性能。

圖7 柔性燃料電池應用

a, 柔性燃料電池堆棧示意圖；

b, 53顆LED燈被柔性燃料電池點亮；

c, 柔性燃料電池為手機充電。

【小結】

在這項工作中，研究者設計一種新型的柔性復合電極進而制備出輕柔的吸氣式質子交換膜燃料電池。新型的柔性電極其具有優異的導電性、良好的柔性和高透氣性等優點，制備出的柔性燃料電池相較于傳統燃料電池具有重量輕，體積小，能量密度高，機械性能好等優點，展現出柔性器件巨大的應用潛力。

文獻鏈接：Flexible and Lightweight Fuel Cell with High Specific Power Density （ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b01880）

本文由材料人編輯部張濤麟編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！