Nano Energy | 清华大学研发超长镍纳米线阵列 助力镍锌电池性能大提升

【引言】

清华大学杨诚老师课题组利用镍纳米线阵列作为集流体应用于水系碱性镍锌二次电池，制造出可快速充电、高能量密度的柔性镍锌电池，实现了高能量密度和优异循环性能镍锌电池。相关成果近日发表于能源技术领域重要期刊《Nano Energy》。

随着对便携式电子设备需求的快速增长，超薄、柔性、高能量储存性能的储能设备也日益受到人们的关注。相比于锂离子电池，镍锌电池是一种具有高功率密度、良好安全性能（水性电解液）、材料成本低廉（镍、锌原材料储量丰富）等特征的二次电池体系。但是由于其存在能量密度较低（30-40 Wh/kg）、循环寿命差（通常小于500次）等问题，直至目前为止没有得到足够的产业化重视。特别是在镍锌电池工作过程中，正极氢氧化镍的晶型转变以及锌负极易生成锌枝晶是造成其循环性能变差的主要原因。

【主要工作】

为解决以上问题，杨诚老师组引入超长（长度可达1毫米）、高度取向的镍纳米线（直径为100多纳米）阵列，利用其高效的自由电子和离子的输运特性以及金属纳米线阵列的超亲水特性，极大地提高了与活性物质的接触面积以及单位面积负载量，从而有效地发挥活性物质的性能。将其作为集流体，通过负载掺钴的氢氧化镍和金属锌，能够有效地释放多次循环后活性物质所产生的应力，抑制锌枝晶的生长，从而提高电池的能量密度和循环寿命。由此方法制造出的镍锌电池，能量密度可达到148.54 Wh/kg，功率密度为1.725 kW/kg，接近锂离子电池的水平。该镍锌电池可以在1分钟内完成充电，而且在循环5000圈后容量保持在初始值的88%。相比此前对于水系二次电池相关的学术研究，该基于镍纳米线阵列结构的镍锌电池具有能量密度高、循环寿命长的特点。

【图文导读】

图1 柔性镍锌二次电池示意图

(a) 阴极（CNH，即Co掺杂的Ni（OH）2）与阳极（金属锌）均用镍纳米线阵列膜作集流体。
(b) 镍锌电池的结构、工作机理以及涉及到的电化学反应。

图2 材料的表征

(a) 镍纳米线阵列的SEM照片。
(b) 单根镍纳米线的放大的SEM照片。
(c) 沉积了CNH的镍纳米线阵列SEM照片。
(d) 镍纳米线-CNH核-壳结构镍的TEM照片。
(e) 镍纳米线@CNH的放大的TEM照片（插图为氢氧化物层的SAED图）。
(f) NNA@CNH局部的STEM图像。
(g)-(i) EDS能谱显示的Ni，Co和O元素的分布照片。

图3 元素分析

(a) NNA@CNH的XPS的全谱分析。
(b) NNA@CNH中O的谱线。
(c) NNA@CNH中Co的谱线。
(d) NNA@CNH中Ni的谱线。

图4 NNA@CNH-1阴极的电化学性能测试

(a) NNA@CNH-1与NNA@ Ni（OH）2的CV曲线测试。
(b) 在3A/g条件下，NNA@CNH-1与NNA@ Ni（OH）2的GCD曲线测试。
(c) NNA@CNH-1在不同密度下的GCD曲线。
(d) NNA@CNH-1和NNA@Ni(OH)2的倍率性能。
(e) 在电流密度为5A/g的条件下测得的NNA@CNH-1电极的质量比电容和面电容。
(f) NNA@CNH-1与NNA@ Ni（OH）2的循环性能。

图5 与NNA@Zn和Cu@Zn组成的全电池的电化学性能研究

(a) NNA@Zn和Cu@Zn两电池的GCD曲线。
(b) NNA@Zn和Cu@Zn两电池的倍率性能。
(c) NNA@Zn和Cu@Zn两电池的EIS结果。
(d) NNA@Zn和Cu@Zn两电池的循环性能

图6 NNA@Zn电池器件水平上的评估

(a) 基于NNA的镍-锌碱性电池的GCD曲线。
(b) NNA-Ni/Zn电池以8A/g充电并以1A/g放电的GCD曲线。
(c) NNA-Ni/Zn电池在弯曲/平整状态下的GCD曲线。
(d) 本文的镍-锌碱性电池的能量比较图（能量密度基于两极活性物质的质量）。
(e) NNA基Ni/Zn水系电池与最近报道的先进碱性电池的循环性能的比较（循环测试的条件已在图中标出）。

【展望与意义】

该小组的研究人员称，镍锌电池的结构设计和材料选择需要进一步探索、完善。但可以肯定的是，该工作对镍锌电池电性能的优化、循环寿命的提高具有重要意义。

文献链接：An Ultrafast, high capacity and superior longevity Ni/Zn battery constructed on nickel nanowire array film (Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.07.035)

本文由材料人网友石璐、廖杰、王腾供稿。

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