关键词：钴基 催化 氧还原 柔性锌空电池
0 引言：
随着生活方式的改变、电子技术的发展，柔性可穿戴电子器件逐渐进入大众的视线[1]。传统的电池无法进行弯折，无法满足整体轻薄，柔软的要求。因此，为满足下一代柔性电子器件需求，高能量密度的柔性储能器件开发具有至关重要的作用。锌空电池的理论能量密度可以达到1084 Wh/kg，是锂离子电池的3~5倍[2, 3]。然而，柔性锌空电池性能严重受到空气正极的催化性能的制约。因此提高催化性能，研制高性能催化材料成为锌空电池的研究热点
钴化合物与碳基复合材料在碱性环境中具有良好的催化作用与稳定性，可作为空气电极催化剂的选择[7]。传统的催化剂涂覆方法制备空气电极在柔性锌空电池中具有局限性，在电池弯折扭曲的过程中容易发生脱落，因此制备原位负载催化剂的一体化电极具有重要的意义。
本文通过电沉积方法在碳布上直接原位生长氢氧化钴，加以快速热处理，制备了钴基催化与碳布电极一体化的空气正极。本文研究了不同催化剂负载量对于催化性能与电池循环性能的影响。研究发现提高催化剂的负载量，可在一定程度上能够提升催化性能与电池性能。同时，本文还组装了柔性锌空电池原型，驱动电子元器件。
1 实验
1.1实验原料
六水合硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O试剂纯99%），氢氧化钾（KOH 试剂纯 95%），采购于上海麦克林生化科技有限公司；聚乙烯醇（PVA MW~195000）采购于上海迈瑞尔化学技术有限公司；碳布（CC WOS1002），采购于台湾碳能科技公司；丙酮、酒精，采购于国药集团化学试剂有限公司；实验中所用水均为二次去离子水。
1.2电极的制备
采用CHI660E电化学工作站，进行三电极体系阴极电化学沉积制备Co(OH)2/CC一体化空气阴极。1×3 cm的碳布作为工作电极，使用之前，碳布依次经过丙酮，乙醇和水的超声清洗，每次清洗时间为10 min；1×1的铂片电极作为对电极；饱和甘汞电极（雷磁232-1）作为参比电极。电沉积溶液为0.01 mol/L的硝酸钴溶液，沉积电位为-1 V，沉积时间为60 s、300 s和600 s，记为Co(OH)2/CC-60、Co(OH)2/CC-300和Co(OH)2/CC-600。将沉积后的样品用去离子水冲洗，并干燥。随后在200℃的烘箱内进行快速热处理，热处理时间为2 h，记为A-Co(OH)2/CC-60、A-Co(OH)2/CC-300和A-Co(OH)2/CC-600。
1.3电化学性能测试
利用CHI660E电化学工作站对所制备的A-Co(OH)2/CC-60、A-Co(OH)2/CC-300和A-Co(OH)2/CC-600进行氧还原（OER）性能的表征。采用三电极体系，以所制备的电极为工作电极，铂片电极作为对电极；饱和甘汞电极作为参比电极，在0.1 mol/L的KOH溶液中进行线性伏安扫描测试，测试电压范围为0~0.8 V，扫描速度为0.005 V/s。
1.4柔性电池制备
A-Co(OH)2/CC-60、A-Co(OH)2/CC-300和A-Co(OH)2/CC-600作为空气正极，PVA-KOH胶体作为电池隔膜与电解质，商业锌片作为负极。其中，PVA-KOH制备方法：将1 g KOH溶解在10 mL二次去离子水中，恢复室温，加入1 g PVA，静止溶胀一定时间，90 ℃加入并搅拌，直至溶液呈淡黄色，取出后在容器内流平，放入冰箱冷冻2~4 h后，自然解冻。
1.5 电池性能测试
利用蓝电电池测试系统对所组装的柔性锌空电池进行恒电流充放电循环测试。充放电的电流密度为1 mA/cm2,充放电时间为10 min。
2 实验结果与讨论
2.1 电极的氧还原（OER）性能测试
对A-Co(OH)2/CC-60、A-Co(OH)2/CC-300和A-Co(OH)2/CC-600三个电极做氧还原（OER）性能测试，结果如图1所示，随着沉积时间的增加，OER的电流增大，OER的起始电位几乎不变。OER的起始电位由催化剂的本征性能决定，三种电极的本征催化物质一致，因此起始电位几乎是一致的。OER的电流由催化剂的本征性能，催化剂的活性面积，基体导电率等共同决定。三种电极的不同之处在于沉积时间不同，催化剂的负载量不同，负载量越大，催化活性越高，催化电流越大，因此A-Co(OH)2/CC-600的催化电流最大。
2.2 电池测试
以A-Co(OH)2/CC-60、A-Co(OH)2/CC-300和A-Co(OH)2/CC-600作为柔性锌空电池正极的三种电池进行恒电流充放电循环性能测试，结果如图2所示，随着催化剂沉积负载量的增加，电池的充放电性能都有所提升，充电电位下降，放电电位升高，这与三种电极的电极性能结果相符。以A-Co(OH)2/CC-600作为空气正极的电池性能最优，其放电电压可以达到1 V以上，充电电压在2 V左右。
2.3 电池的应用
柔性锌空电池可以被广泛应用于智能手环、柔性屏幕、透皮吸收药物等场合。在本实验中，我们将两个柔性锌空电池串联，可以成功将一个工作电压为1.8 V的红色LED灯点亮，并且持续工作4 h以上，如图3所示。
3 结论与展望
本文研究了不同催化剂沉积负载量空气电极的氧催化还原性能与柔性锌空电池的恒电流充放电循环性能，结果表明，催化剂的沉积负载量的增加在一定程度上能够提升电极的氧催化还原性能与柔性锌空电池的循环性能。
此外，本文将制备的柔性锌空电池串联，点亮了LED，验证了其实用性能。
相信，在不久的将来，随着制备工艺的不断成熟与催化剂的不断发展，二次柔性锌空电池将会在智能手环、柔性屏幕、透皮吸收药物中崭露头角，具有广泛的应用前景。
参考文献
[1] Z. Liu, J. Xu, D. Chen, G. Shen, Flexible electronics based on inorganic nanowires, Chemical Society Reviews, 44 (2015) 161-192.
[2] J.S. Lee, T.K. Sun, R. Cao, N.S. Choi, M. Liu, K.T. Lee, J. Cho, Metal‐Air Batteries: Metal–Air Batteries with High Energy Density: Li–Air versus Zn–Air (Adv. Energy Mater. 1/2011), Advanced Energy Materials, 1 (2011) 1-1.
[3] Y. Li, H. Dai, Recent advances in zinc-air batteries, Chemical Society Reviews, 43 (2014) 5257-5275.
[4] 黄伟国, 王先友, 杨红平, 汪形艳, 罗旭芳, 锌空电池氧还原电极催化剂的研究, 电池, 34 (2004) 87-89.
[5] 李山梅, 刘丹宪, 锌空电池空气电极催化剂的研究进展, 电源技术, 35 (2011) 742-745.
[6] 杨红平, 王先友, 汪形艳, 黄伟国, 罗旭芳, 锌空电池及其材料的研究, 电池, 33 (2003) 80-82.
[7] Z. Song, X. Han, Y. Deng, N. Zhao, W. Hu, C. Zhong, Clarifying the Controversial Catalytic Performance of Co(OH)2 and Co3O4 for Oxygen Reduction/Evolution Reactions Toward Efficient Zn-Air Batteries, Acs Applied Materials & Interfaces, 9 (2017) 22694.
通讯作者： 江棋明，中学二级教师。研究方向：中学物理教学、课堂渗透心理学、信息技术与教学融合、科技创新与教学融合。本研究获得高中化学探究小实验的适时监控与整合（课题编号：FJKYJD16–21）的资助。
论文作者:詹鸿飞,,, 江棋明
论文发表刊物:《科技中国》2018年7期
论文发表时间:2018/8/9
标签：电极论文; 柔性论文; 电池论文; 催化剂论文; 负载量论文; 性能论文; 正极论文; 《科技中国》2018年7期论文;