在這項研究中，科研人員次采用水熱法在切割碳纖維（CFs）表面原位合成了一層厚的介孔Co3O4薄膜。然后，采用濕法造紙生產工藝，將碳纖維紙（Co3O4/CP，carbon fiber paper）生產為柔性鋅空氣電池（zinc-air battery，ZAB）。

　　
背景介紹

　　二次儲能電池組作為一種可回收、可再生的清潔能源系統，在很多領域已被證明能夠取代傳統的化石燃料。因此，隨著環境安全性和易用性要求的提高，這些產品在智能手機、汽車、航空和其他行業得到了廣泛應用。

　　近年來，在優化二次能源電池組的循環壽命、比容量、倍率性能等方面的研究正在不斷地增加。

　　作為二次電池系統之一，鋅空氣電池（ZAB）具有良好的操作特性，如高比容量和電流密度，是柔性儲能電池的合適替代品。

　　目前，通常用于鋅空氣電池的陽極材料是市售石墨材料，但是石墨的循環性能很弱，遠遠低于柔性設備的要求。因此，迫切需要用優良的柔性陽極材料替代商用石墨。

　　( a ) Co 3 O 4 /CF 表面的EDS 圖像，( b ) Co 3 O 4 /CP 的SEM 和 Co 元素分布圖像

　　碳纖維具有優異的拉伸強度、導電性和優異的柔韌性，因此成為取代傳統石墨陽極的理想選擇。而由于成本低廉、儲量豐富，非貴金屬催化劑開始取代由金和釕等貴金屬制成的經典催化劑。

　　在堿性電解液存在下，所有非貴金屬系統都具有催化作用。因此，空氣陰極上的雙重作用催化劑對柔性鋅空氣電池的性能和充電性能有重大影響。

　　Co 3 O 4 /CP 空氣陰極的顯微 CT 圖像（a）前視圖，（b）頂視圖，（c）側視圖

　　納米結構Co3O4由于具有納米多孔結構、來源廣泛、優越的催化性能和耐堿性，已成為一種極具前景的雙功能催化劑，通過雜化反應后，碳基材料和Co3O4可表現出強烈的氧還原反應（oxygen reduction reaction，ORR）性能。

　　截至目前，已經對纖維ZAB的開發進行了一些研究，但是纖維細胞的缺點是體積小、容量有限。因此，開發一種簡化且連續的一維碳纖維催化劑膜負載和二維集成方法至關重要。

　　
研究內容

　　在該項研究中，采用切割碳纖維作為前驅體和碳組分，通過水熱生產和濕法成型方法有效地制備Co3O4/CP空氣電極。

　　隨后利用快速簡便的層壓程序構建和制備了鋅空氣電池。經二氧化碳蝕刻處理后，單根切割碳纖維的比表面積和活性面積增加，從而導致更高的 Co 附著率，這有助于提高催化效率。

 

利用Co3O4/CP作為空氣負極材料，生產的鋅-空氣電池顯示出優異的往返性能和強大的充放電循環穩定性，以及在一定范圍的折疊方向上發揮作用的能力。

　　這些超光滑的紙質復合電極材料具有巨大的潛力，將有助于進一步加速鋅空氣電池在不同柔性和可穿戴儲能裝置領域的發展。

　　
主要成果

　　由于Co3O4膜具有優異的電催化活性和活性材料的高導電性，因此與相同等級的標準碳紙相比，用于沉淀和氧還原反應的Co3O4/CP電極的性能質量顯著提高。

　　由于采用濕法造紙技術，Co3O4/CP具有很強的機械穩定性和優異的導電性。此外，所構建的ZAB具有優異的電解性能。

　　柔性鋅空氣電池組件陣列及其應用

　　這種傳統的造紙生產技術為開發柔性空氣電極開辟了新的途徑。Co3O4催化劑膜的一致負載和碳纖維網集成技術的結合提高了內部負載均勻性和工藝連續性。因此，這種紙基空氣陰極在可再充電柔性鋅-空氣電池系統中具有很大的應用前景。