清华大学杨诚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杂志 Nano Energy。
团队简介
杨诚团队合影
杨诚是清华大学深圳研究生院能源与环境学部副教授，广东省杰青获得者，广东省(首批)能源与环境材料创新团队成员，团队目前主攻研究方向为微型储能器件(超级电容器，锂离子电池等)、新型电子封装材料(导电银浆、油墨，纳米银线透明导电膜，纸质电路板等)以及相关研究领域新技术的产业化等内容。 近三年来，杨诚团队在 Nat. Commun., Energ. Environ. Sci., Adv. Mater., ACS NANO., Adv. Func. Mater., Nano Energy., Nanoscale., J. Mater. Chem. A.等杂志发表多篇学术论文。同时，杨诚副教授也致力于相关研究领域新技术的推广与产业化的进行，并与多家上市科技企业保持良好的合作关系。 详情请见课题组网站：http://www.energymaterialslab.org/
撰文：石璐 王腾(清华大学深圳研究院)
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。
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。 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。
论文基本信息
【题目】An Ultrafast, high capacity and superior longevity Ni/Zn battery constructed on nickel nanowire array film
【作者】Chao Xu, Jie Liao, Cheng Yang, Ruozheng Wang, Dang Wu, Peichao Zou, Ziyin Lin, Baohua Li, Feiyu Kang, Ching-Ping Wong
【期刊】Nano Energy
【日期】2016.7.2【DOI】10.1016/j.nanoen.2016.07.035
【摘要】With the bloom of portable and wearable electronics, electrochemical storage devices featured with high performance, low-cost, safe, environmental-friendly, lightweight, thin and flexible features become more important than ever. Here, we construct a rechargeable Ni/Zn battery with a Co-doped Ni(OH)2 (CNH) and Zn materials on nickel nanowire arrays (NNA) for electrodes. The CNH cathodic material can be electrochemically deposited onto the NNA, which can deliver a high capacity of 346 mA h g-1 at current density of 5 A g-1. Co doping can effectively stabilize Ni(OH)2 with only ~10% capacity loss over 5 000 charge/discharge cycles at 30 A g-1. For anode, the design of Zn on NNA considerably lowers the risk of corrosion and dendrite form ation. As a result, ultrafast rechargeable Ni/Zn batteries are obtained, exhibiting a cell voltage of ~1.75 V, energy density of 148.54 Wh kg-1(4.05 Wh g-1) and power density of 1.725 kW kg-1 (based on the mass of active materials) with a charging time of < 1 minute. Additionally, the NNA –based aqueous Ni/Zn battery exhibits superior longevity (only ~12% capacity losses after 5 000 cycles). These features enable our Ni/Zn batteries a highly promising candidate for the next generation of flexible energy storage systems.
【链接】http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516302865
