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近日，国外研究并设计了一种高效且具有成本效益的柔性阴极制造方法，相关成果发表在《Nanomaterials》期刊上。
在这项研究中，科研人员首次采用水热法在切割碳纤维（CFs）表面原位合成了一层厚的介孔Co3O4薄膜。然后，采用湿法造纸生产工艺，将碳纤维纸（Co3O4/CP，carbon fiber paper）生产为柔性锌空气电池（zinc-air battery，ZAB）。
背景介绍
二次储能电池组作为一种可回收、可再生的清洁能源系统，在很多领域已被证明能够取代传统的化石燃料。因此，随着环境安全性和易用性要求的提高，这些产品在智能手机、汽车、航空和其他行业得到了广泛应用。
近年来，在优化二次能源电池组的循环寿命、比容量、倍率性能等方面的研究正在不断地增加。
作为二次电池系统之一，锌空气电池（ZAB）具有良好的操作特性，如高比容量和电流密度，是柔性储能电池的合适替代品。
目前，通常用于锌空气电池的阳极材料是市售石墨材料，但是石墨的循环性能很弱，远远低于柔性设备的要求。因此，迫切需要用优良的柔性阳极材料替代商用石墨。
( a ) Co 3 O 4 /CF 表面的EDS 图像，( b ) Co 3 O 4 /CP 的SEM 和 Co 元素分布图像
碳纤维具有优异的拉伸强度、导电性和优异的柔韧性，因此成为取代传统石墨阳极的理想选择。而由于成本低廉、储量丰富，非贵金属催化剂开始取代由金和钌等贵金属制成的经典催化剂。
在碱性电解液存在下，所有非贵金属系统都具有催化作用。因此，空气阴极上的双重作用催化剂对柔性锌空气电池的性能和充电性能有重大影响。
Co 3 O 4 /CP 空气阴极的显微 CT 图像（a）前视图，（b）顶视图，（c）侧视图
纳米结构Co3O4由于具有纳米多孔结构、来源广泛、优越的催化性能和耐碱性，已成为一种极具前景的双功能催化剂，通过杂化反应后，碳基材料和Co3O4可表现出强烈的氧还原反应（oxygen reduction reaction，ORR）性能。
截至目前，已经对纤维ZAB的开发进行了一些研究，但是纤维细胞的缺点是体积小、容量有限。因此，开发一种简化且连续的一维碳纤维催化剂膜负载和二维集成方法至关重要。
研究内容
在该项研究中，采用切割碳纤维作为前驱体和碳组分，通过水热生产和湿法成型方法有效地制备Co3O4/CP空气电极。
随后利用快速简便的层压程序构建和制备了锌空气电池。经二氧化碳蚀刻处理后，单根切割碳纤维的比表面积和活性面积增加，从而导致更高的 Co 附着率，这有助于提高催化效率。
利用Co3O4/CP作为空气负极材料，生产的锌-空气电池显示出优异的往返性能和强大的充放电循环稳定性，以及在一定范围的折叠方向上发挥作用的能力。
这些超光滑的纸质复合电极材料具有巨大的潜力，将有助于进一步加速锌空气电池在不同柔性和可穿戴储能装置领域的发展。
主要成果
由于Co3O4膜具有优异的电催化活性和活性材料的高导电性，因此与相同等级的标准碳纸相比，用于沉淀和氧还原反应的Co3O4/CP电极的性能质量显著提高。
由于采用湿法造纸技术，Co3O4/CP具有很强的机械稳定性和优异的导电性。此外，所构建的ZAB具有优异的电解性能。
这种传统的造纸生产技术为开发柔性空气电极开辟了新的途径。Co3O4催化剂膜的一致负载和碳纤维网集成技术的结合提高了内部负载均匀性和工艺连续性。因此，这种纸基空气阴极在可再充电柔性锌-空气电池系统中具有很大的应用前景。
碳纤维信息网
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