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航空航天学院在高比能及高功率能源存储领域取得系列研究进展

日期 : 2018-06-27
摘要
近期,重庆大学航空航天学院徐朝和研究员、胡宁教授领导的多功能复合材料与器件团队与校内外合作者在面向空间应用的新型高比能 高功率空间电源系统领域取得了系列重要研究进展。

目前,航天电源主要使用是能量密度低的镉镍电池和氢镍电池,致使电源系统的比重占到飞行器重量的30%以上。随着航天技术的快速发展,迫切需要降低电源系统的重量以增加有效载荷,因此开发功率高、重量轻的高比能电源系统成为航天科技和能源存储领域的研究热点之一。近期,重庆大学航空航天学院徐朝和研究员、胡宁教授领导的多功能复合材料与器件团队与校内外合作者在面向空间应用的新型高比能/高功率空间电源系统领域取得了系列重要研究进展。

锌-空气电池因其成本低廉、安全性高、环境友好、能量密度高等特点而成为能量型电源系统的重要选项;它的理论能量密度达1084Wh/kg,实际可实现的值也高达400Wh/kg以上,是目前锂离子电池电芯的2倍以上,从而成为近年来能源存储领域最重要的研究方向之一。该团队开发了NiCo2O4/NiMn层状双氢氧化物(LDH)核壳阵列结构用作高效稳定的锌-空气电池空气电极材料及催化剂。通过合成条件的控制可将NiMn LDH片层厚度降低到3~5nm以下,显著增加了材料的电化学活性面积。最终,由于核壳阵列结构两组分间的协同增强效应以及高的活性面积,其过电位在10和100 mA/cm2时分别为255 mV和338 mV,明显优于商业Ir/C和Pt/C催化剂。组装成锌-空气电池后,其一次电池的最大功率可达160.8mW/cm2、开路电压为1.4V、能量密度可达866Wh/kg;而可充电电池在5mA/cm2经500次循环后其充放电的电压差值仅增加45mV,在20mA/cm2经500次循环后其充放电的电压差值仅增加20mV,循环性能十分优异。该研究成果已发表于国际著名期刊Journal of Materials Chemistry A(JMCA,IF=8.867),题为“Core/shell design of efficient electrocatalysts  d on NiCo2O4 nanowires and NiMn LDH nanosheets for rechargeable zinc–air batteries”,并选为期刊的HOT ARTICLE。论文第一作者为航空航天学院博士研究生郭小龙同学,航空航天学院徐朝和研究员和材料学院张育新教授为论文的通讯作者。

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在高功率储能器件方面,该团队最近还在三维石墨烯水凝胶合成领域取得了重要进展。该团队与新加坡南洋理工大学合作,创造性的发明了一种合成三维石墨烯水凝胶的新方法——液滴/胶体絮凝法。该法利用胶体絮凝原理以及简单的水波纹传播,通过将吸入注射器内的一定浓度的氧化石墨烯液,逐滴滴加到特定凝固浴中,即可制备氧化石墨烯水凝胶,再经过洗涤、干燥、高温煅烧,即可得到还原氧化石墨烯气凝胶。

该方法具有一定的普适性,通过使用不同种类的凝固浴,例如酸性溶液(HCl)、碱性溶液(NaOH)、中性盐溶液(NaCl)等,均可制备得水凝胶,同时借助一定浓度的过渡金属盐溶液(Co(NO3)2、Ni(NO3)2等),并经过一定的后处理,可实现金属氧化物与石墨烯的三维复合气凝胶。该类气凝胶在储能、催化、传感器领域具有极大的应用潜力。例如在该工作中,成功合成镍钴双氧化物/石墨烯气凝胶,简称:NiCo/GA,并组装成超级电容器深入研究其赝电容性能。基于NiCo/GA与pure GA的非对称超级电容器,具有优异的性能,在功率密度为804.5和4500 W/kg的条件下,能量密度可达到24.6和21 Wh/kg,在经过5000次循环测试后,性能不减反而有20%的提升。该研究工作具体内容发表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS AMI, IF=7.504),题为“Fabricating 3D macroscopic graphene- d architectures with outstanding flexibility by novel liquid drop/colloid flocculation approach for energy storage applications”。论文第一作者为航空航天学院硕士研究生韩蒙同学,通讯作者为航空航天学院徐朝和研究员、胡宁教授以及新加坡南洋理工大学Lee Jong-Min教授。

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以上系列工作得到国家自然科学基金、中央高校基本业务费专项资金,中国科技部国际科技合作关键项目、重庆市基础研究和前沿技术研究计划以及重庆大学“百人计划”等资助。

论文链接1:http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ta/c8ta02608d

论文链接2:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b02942

团队介绍:徐朝和研究员2015年3月加入重庆大学航空航天学院,入选重庆大学“百人计划”、博士生导师。迄今已发表SCI论文60余篇,论文被引用超过2500余次,单篇最高被引用380余次;所发表的论文中,共2篇被引超过300次,6篇论文被引用超过100次,已有7篇论文入选ESI高被引论文。目前,所带领的团队主要从事石墨烯的结构-功能一体化复合材料及应用、全固态薄膜锂/钠离子电容器及柔性储能器件、金属-空气/锂-硫/金属锂电池等新型高能化学电源研究。团队主页:http://www.escience.cn/people/chaohexu/index.html 

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程乐 责任编辑 航空航天学院