（福建省建瓯第一中学 福建 建瓯 353100）
摘要：锌空气电池由于具有极高的理论能量密度在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景，如给传感器、发光器等电子器件供电，因此受到广泛的研究关注。本研究采用的是在高导电碳纤维布上电化学和热处理方法制备空气电极，并结合凝胶电解质和锌箔制备柔性锌空电池。在此基础上，设计并制备可以同时拉伸和弯曲的锌空气电池阵列。通过电池性能测试，电池充放电稳定，放电电压和充电电压分别为4.7 V 和8 V。即使电池在伴随人体运动的条件下，工作电压依然稳定。该电池阵列制备思路同样可被拓展于其他高理论能量密度的电池体系。
中图分类号 TM912 文献标识码 A
一、研究背景
近年来，具备柔性和可拉伸特性的便携式可穿戴电子器件吸引了产业界和学术界的巨大兴趣[1]。便携式可穿戴电子器件在柔性手机、智能手环、电子皮肤、生物生理监控等场合有广泛应用前景。为了给这些便携式可穿戴电子器件提供足够电能，与其物理变形能力相匹配的柔性可拉伸电池器件急需发展[2]。
同时，随着未来电子器件的发展，需要电池具有更高的能量密度。在诸多的电池体系中，锌空电池的理论能量密度很高（1086 W h kg-1），是目前常规锂离子电池的5倍以上，非常适合应用于未来可穿戴电子产品[3,4]。同时，锌空电池还具有可充放电、安全、环保、成本低等优势[3,4]。然而，目前的柔性锌空气电池存在一些显著问题，包括1）锌空电池工作电压较低（1.5 V左右），单个电池难以驱动大多数电子器件；2）目前报道的柔性锌空电池无法拉伸，因此在一些器件需要拉伸的可穿戴场合中无法应用。
本研究中的锌空气电池的空气电极是在商用高导电碳布上恒压电化学沉积一层Co(OH)2活性物质，再高温热处理成Co3O4高效氧气催化剂，制得空气电极。以超薄锌箔为金属电极，聚乙烯醇碱性高分子作为固态电解质，层叠结构组装成三明治结构电池阵列。该电池依靠独特设计的结构，可以实现弯曲和拉伸，也可以缝合在衣料上。可伴随人体运动，而不影响电池放电性能，可用于可穿戴领域。本研究设计的锌空气电池阵列可同时解决上述提到的柔性锌空电池领域发展中存在的2个问题。
二、结果与讨论
首先，将碳布剪成2*3 cm形状若干个，分别通过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10 min，放入烘箱1.5 h。称量2.91 g六水合硝酸钴，加入水200 ml，超声充分分散，制成0.05 mol/L的Co(NO3)2水溶液。将碳布在Co(NO3)2水溶液中超声润湿2/3的面积。将长方形的碳布用电极夹在0.05 mol/L的Co(NO3)2水溶液中浸泡并作为工作电极，以铂片电极为对电极，以Ag/AgCl为参比电极，采用电化学工作站，以三电极法进行电沉积，如图1a所示。在–1 V下恒压沉积20 min，在黑灰色的碳布表面会生长一层均匀的绿色物质，该绿色物质是Co(OH)2，如图1b中的左图所示。将沉积好的碳布放入烘箱干燥。用陶瓷舟载Co(OH)2/碳布复合材料，放入到马弗炉中400 ℃空气气氛热处理2 h，得到黑色的Co3O4/碳布复合材料，如图1c所示。Co3O4材料可同时促进氧析出和氧还原反应。
如图1c所示，本文采用聚乙烯醇碱性半固态水凝胶为器件的电解质，其在弯曲、拉伸、折叠等形变的情况下，依然可以保持其高离子导电的特性。制备方法如下：将3 g 聚乙烯醇粉末在水中充分溶溶解，90 ℃下水浴加热持续搅拌1.5 h后，加入氢氧化钾颗粒，搅拌均匀后，倒入模具，放入冰箱（-10℃）冰冻3 h交联反应可得。
将锌箔、聚乙烯醇碱性半固态电解质、Co3O4/碳布，依次三明治式叠层组装，可组装成锌空电池，如图1d所示。万用表测量单个电池的工作电压，可达~1.5~1.8 V。
图1d中组装的单个锌空电池具备柔性特征，可以实现弯曲等形变，但是，还无法充分实现可穿戴电子器件中经常面临的可拉伸需求。因此，我们巧妙地将单个电池设计为电池阵列，依靠电极阵列的相对滑移，实现整个电池组的可拉伸特性。首先在柔性可拉伸的硅橡胶基底上制备铜线电路（具体过程：用剪线钳从电线上剥离出铜丝，以梳子为模板弯曲铜丝为蛇形状，将蛇形状铜丝放于玻璃模具中成回形电路,如图2a所示，将Ecoflex AB胶混合均匀倒入玻璃模具，烘干，如图2b、2c所示），并在铜电路上安装2 × 2的锌箔金属电极阵列和Co3O4/碳布空气正极阵列，按照锌箔、电解质、空气正极的顺序叠好并完成封装，如图2d、2e所示。如图2e所示，该2 × 2的锌空电池阵列的输出电压为1.78 V。
以上制备的锌空电池阵列虽然具有柔性可拉伸特性，但是输出电压低于2 V，无法驱动许多电子器件正常工作，如LED灯一般需要3V以上电压。如图3a-c所示，通过有效的设计铜线电路的排列方式，调整锌箔和Co3O4/碳布的排列位置，我们将锌空电池阵列的结构从图2e中的并联结构巧妙改变为串联结构。如图3d和3e所示，由于我们制备的锌空气电池所使用的材料都是柔软的，电池可以被缝合在衣物上，并实现4.7 V的电压输出（放电电流为1 mA cm-2），该电池阵列的充电电压为8 V。4 V以上的工作电压可以给很多电子器件供电。如图3f所示，缝合在衣料上的锌空气电池阵列，可以点亮LED光带，并且在拉伸电池阵列的过程中，灯光亮度不变。这说明该可拉伸柔性电池阵列可稳定应用于可穿戴领域。
三、小结
利用电化学沉积和热处理的方法制备了Co3O4/碳纤维布空气电极，利用该空气电极，结合聚乙烯醇碱性半固态水凝胶电解质和锌箔金属电极，组装柔性锌空电池。同时，为了获得满足可拉伸特性的可穿戴柔性电池，将电池设计成电池阵列结构，同时可实现串联或者并联等不同结构的电池组合方式。当为串联方式时，该锌空气电池阵列能实现4.7 V放电和8 V充电。此外，该电池阵列还可以缝合到衣物上，驱动大功率LED灯组工作，并且在伴随人体运动的情况下弯曲拉伸，依然能保持放电稳定。
参考文献
[1]J.S. Lee, S.T. Kim, R. Cao, N.S. Choi, M. Liu, K.T. Lee, J. Cho, Metal-Air Batteries with High Energy Density: Li-Air versus Zn-Air. Advanced Energy Materials, 1 (2011) 34-50.
[2]J. Fu, F.M. Hassan, J. Li, D.U. Lee, A.R. Ghannoum, G. Lui, M.A. Hoque, Z. Chen, Flexible Rechargeable Zinc-Air Batteries through Morphological Emulation of Human Hair Array. Advanced Materials, (2016) 6421-6428.
[3]Y. Xu, Y. Zhang, Z. Guo, J. Ren, Y. Wang, H. Peng, Flexible, Stretchable, and Rechargeable Fiber-Shaped Zinc-Air Battery Based on Cross-Stacked Carbon Nanotube Sheets. Angewandte Chemie International Edition, 54 (2015) 15390-15394.
[4]J. Fu, D.U. Lee, F.M. Hassan, Z. Bai, M.G. Park, Z. Chen, Flexible High-Energy Polymer-Electrolyte-Based Rechargeable Zinc-Air Batteries. Advanced Materials, 27 (2015) 5617-5622.
课题项目：高中化学探究小实验的适时监控与整合（课题编号：FJKYJD16–21）
论文作者:潘寒约
论文发表刊物:《科技研究》2018年8期
论文发表时间:2018/10/23
标签：电池论文; 阵列论文; 电极论文; 柔性论文; 如图论文; 所示论文; 空气论文; 《科技研究》2018年8期论文;