EES 封面：自上而下法，面向实际应用的高比能镍/锌电池

▲

视频1、四节镍锌软包单体串联的7V、1.2Ah电池组驱动“大卡车”正常行驶。 “大卡车”的功率要求是功率>10W，电压>6V。

▲

视频2.对单节电池在驱动电风扇时进行破坏性安全测试。电池在多次冲击、针刺、火灾的情况下，仍保持良好的安全性，整个过程正常工作，表现出优异的安全性和实用性。

背景介绍

水系锌基电池具有成本低、安全性高等优点，正在成为全球学术界关注的焦点。迄今为止，镍锌水电池（AB）已显示出巨大的商业化潜力，可以与锂离子电池（LIB）竞争。然而，镍锌电池的实际应用仍然受到重量能量/功率密度不理想的困扰。同时，各种报道的纳米结构Ni/Co基纳米材料与工业水平指标（35 mAh cm–2）相比，其体积和面积容量（–2）极其有限，无法满足实际应用。因此，工业应用和科学研究的重量能量密度和体积能量密度要求之间的偏差亟待纠正。

四川大学陈云贵教授和澳大利亚阿德莱德大学晁东亮研究员课题组报告了自上而下的策略，制备低成本、超致密、无钴的微米级镍正极材料，并将其用于开发实用型镍锌全电池。 ; 基于阴离子交换和柯肯德尔效应，这种商业上可行的技术能够使均匀稳定的NiS纳米点和丰富的介孔渗透到整个微球基质中，从而增强电化学活性和质子扩散动力学。所开发的镍锌电池具有42.3 mAh cm-2的高面积比容量、715 mW cm-2的高功率、80,000次循环的脉冲寿命；作为概念验证，作者演示了 3.5Ah 商业级镍锌软封装的制备。该电池实现了165 Wh kg–1和506Wh L–1重量/体积能量密度（整个电池装置），并表现出优异的安全可靠性（爆震、火灾、穿孔，见文末视频）和成本优势（每千瓦时 32.8 美元（设备）。这一成果为高比能量镍锌电池的发展提供了新的机遇，将为低成本、实用化储能和电网储能带来直接效益。

相关工作发表在英国皇家化学会能源与环境科学领域权威期刊上，并被选为当期封面论文。

这篇文章有效

作者提出了一种自上而下的策略，制备了紧密堆积的纳米颗粒NiS-Ni0.95Zn0.05(OH)2正极材料，实现了基于高负载、高活性正极的高比能镍锌电池的实用化。应用程序。设备开发。如图1所示，首先通过传统的共沉淀法合成Ni0.95Zn0.05(OH) 2 微球，然后基于原位阴离子交换和柯肯德尔效应，通过简单的硫化处理进行微包覆。致密的内部孔隙，实现高活性、质子扩散快、振实密度高的正极材料的制备。并且得益于NiS优异的导电性，可以完全消除Co的添加，大大节省了材料成本。在此基础上，通过高负载、电解液优化、贫液设计和电池结构优化的系统优化和集成，实现了165 Wh kg-1和506Wh L-1实用镍锌电池装置的开发。这一发现不仅为实用化低成本无钴镍正极材料的开发提供了方向，也为高能量、高功率、长寿命、高安全性的无钴镍锌电池提供了指导可以批量生产。

该工作题为“A top-down of Ni–Zn with Total of 165 Wh kg–1 and 506 Wh L–1”，发表于《&》。该论文第一作者为四川大学博士生周万海。共同通讯作者包括四川大学朱鼎助理研究员、陈云贵教授，澳大利亚阿德莱德大学晁栋梁研究员。

▲

图 1. 准备策略。 A。与目前的商业策略相比，NiS包覆的Ni0.95Zn0.05(OH) 2 的合成工艺可以通过自上而下的方法进行大规模生产； b. 镍锌电池结构示意图

图解指南

第一点：作者首先通过传统的共沉淀工艺制备了宽粒径分布的无钴Ni0.95Zn0.05(OH)2微米球体前驱体，然后得到NiS-Ni0.95Zn0.05(OH) 2.经过简单的硫化处理。。研究发现，硫化后微球结构保持完整，但表面转变为紧密堆叠的7.0nm等轴NiS纳米点（图2）。而且，大量7.0nm等轴NiS纳米点仍然可以紧密堆积在NiS-Ni0.95Zn0.05(OH)2微球内部，形成具有大量连通孔结构的放射状微结构（图3）。这是因为当Ni0.95Zn0.05(OH)2浸入Na2S处理液中时，S2–会渗透到微球内部，导致接触表面的Ni(OH)2转变为NiS；并且，由于柯肯达尔效应，将产生丰富的介孔结构（3.6 nm）。作者发现，借助硫化镍（5.5×104 S cm-1）优异的导电性能，可以从根本上消除Co的高成本；值得注意的是，正是由于晶粒尺寸均匀，紧密堆积的微球结构和较宽的粒径分布（4-22μm），所获得的正极材料振实密度高达2.3 g·cm– 1.

▲

图 2. NiS-Ni0.95Zn0.05 (OH) 2 微球的形态和结构表征。 A。 Ni0.95Zn0.05(OH)2微球SEM；公元前。 NiS-Ni0.95Zn0.05(OH)2微球SEM；德。 NiS-Ni0.95Zn0.05(OH)2微球TEM； F 。 NiS-Ni0.95Zn0.05(OH)2微球的EDS元素分布； G。 X射线衍射图谱；你好。处理前后 Ni 2p 和 S 2p 的精细 XPS 谱。

▲

图3. NiS-Ni0.95Zn0.05 (OH) 2 微球的内部结构。 a、b。微球截面SEM；插图显示微球内部 EDS 元素的分布； C。孔径分布； d. N2吸附曲线。

要点2：为了模拟实际应用条件，作者进一步综合了电解液（4 M KOH + 2 M KF + 1 M K2CO3 + ZnO）、工业配方（正极活性物质成分96%）、贫液设计，高表面负载（80-160 mg cm–2）和电池结构设计制备了密封贫液模型电池，并在此基础上开发了正极材料的真实电化学性能。动力学研究表明，经过硫化处理后，所得NiS-Ni0.95Zn0.05(OH) 2 的质子扩散速率、电化学活性和电子电导率均显着提高；特别是，该材料的本征电导率提高了近四个数量级，甚至远远超过商用钴包球镍正极材料（6.1×10–3 vs. 2.5×10–5 S cm–1）；而且，电荷转移速率提高了近15倍。

▲

图 4.密封贫液镍锌电池设计和动力学表征。 A。模型电池示意图； b. 镍锌模型电池外观； C。 CV拟合； d. GITT曲线； e. EIS 曲线。

第三点：同时实现高质量、面积和体积比容量是实际应用的基本要求。作者报道称，由于高振实密度NiS-Ni0.95Zn0.05 (OH) 2 正极材料的成功开发，可以轻松实现具有160 mg cm–2 高负载容量的正极（图4）。经过一级压实后，电极压实密度可达2.86 g cm-3。研究发现，即使负载量增加到160 mg cm–2，其质量比容量仍可高达258.1 mAh g–1，因此随着负载量的增加，其面积容量近乎线性增加至41.3 mAh厘米–2。即使在80 mg cm–2的高负载下，其20C高倍率放电容量保持率也高达84.2%，远远优于未经处理的前驱体和商用钴包球形镍（39.9%）。该图显示了其面积比能量和比功率与文献报道的结果相比的进步。密封贫液NiS-Ni0.95Zn0.05(OH)2//Zn电池还表现出优异的循环性能（2C充放电800次容量保持率为81.4%，充电3500次容量保持率为79%）和 10C 的放电循环）。该密封贫液镍锌模型电池表现出优异的瞬时高倍率脉冲充放电性能（如图6所示），在HEV混合动力汽车、SLI启停电源、电网储能等领域展现出应用前景。其他领域。密封贫液NiS- Ni0.95Zn0.05 (OH) 2//Zn电池30s峰值输出功率可高达18.8 kW kg–1（2.30 W cm–2或45.92 kW L–1），超过大多数水基于电池甚至超级电容器。更有趣的是，所开发的镍锌电池在60-80% SOC下，在10C时能保持97.3%的能量转换效率，并具有80,000次循环的稳定脉冲循环。

▲

图 5.密封贫液镍锌电池的电化学性能。 A。正极加载控制； b. 承载能力和表面能力； C。率放电； d. 费率比较； e. 图表比较； F。 2C充放电循环850次； G。 10C快速充放电循环3500次。

▲

图6.密封贫液镍锌电池高倍率瞬时输出性能。 A。脉冲放电-静息曲线； b. IR 压降； C。 30s峰值功率；德。 10C 30s 脉冲充放电 80,000 次循环

观点4：作者介绍，水性镍锌电池只需要简单的层压或卷绕工艺，无需任何额外的保护措施即可在大气环境中组装（图7）。通过N/P比、电解液用量等系统优化，成功研发出3.5Ah镍锌软包全电池。该电池表现出优异的高倍率特性。即使在12C（42A）下，仍可输出，持续30s功率高达1.–1。全电池在1C循环420次后仍能保持89.4%的容量，优于商用电池。镍锌电池。所开发的镍锌电池表现出优异的封装特性。只需串联即可获得7V、1.2Ah的电池组，轻松驾驶“大卡车”。物理滥用测试表明，所开发的镍锌软包电池在遭受冲击、火灾、针刺等滥用后表现出优异的安全性和可靠性。更重要的是，基于全电芯器件计算，所开发的软包电池质量能量密度高达165Wh kg–1，体积能量密度高达506 Wh L–1，超过了目前商用的软包电池。水系电池（铅酸、镍镉、镍氢、镍锌电池），甚至可与有机锂电池相媲美。成本方面，考虑隔膜电解质和其他基于设备的计算，约为每千瓦时32.8美元。

▲

图 7. 实用的镍锌软包电池设计和表征。 A。软包电池设计； b. 周期长；光盘。 1.2Ah 7.0V软包电池驱动“大卡车”； e. 破坏性安全性和可靠性测试； F。全电池各组成部分的比例； G。质量、体积能量密度和商业比较

全文摘要

自上而下的方法可大规模制备无钴球形镍，以取代商业化的钴包球形镍技术。发展高比能水系镍锌全电池的意义简述如下：

原文链接

关于作者

周万海博士

四川大学

现为四川大学新能源与低碳技术研究所博士研究生。目前主要从事新型安全、低成本、高比能量二次电池关键电极材料及器件的研究。目前已有20余项研究成果发表在Sci.、Sci. 副总裁，安吉。化学。国际。编辑，化学工程。 J.，ACS 应用。马特。间等

朱鼎研究员

四川大学

现任四川大学新能源与低碳技术研究所助理研究员。目前主要从事高安全、低成本水基电池关键电极材料及器件的研发。目前在Sci.、Chem.、Chem Eng.等期刊发表学术论文40余篇。 J.、J. Power等。完成国家级项目1项，省部级项目2项。

陈云贵教授

四川大学

现任四川大学二级教授、博士生导师、后续能源材料与器件教育部工程研究中心主任、四川大学新能源与低碳技术交叉领域首席科学家。四川大学. 目前主要研究方向包括先进电池及电池材料、储氢材料及其应用、室温磁制冷材料和室温磁制冷机、轻质金属结构材料及其加工成型等。目前已在Sci.、Adv. 等期刊发表学术论文450余篇。马特，安吉。化学。国际。主编、ACS Nano、Chem.等。完成国家、省部级科研成果40余项。荣获省部级科技进步奖3项，科技成果连续四年入选中国稀土行业十大科技新闻。已授权国家发明专利20余项。实现多项科技成果转化。培养硕士、博士生130名。

晁东亮研究员

阿德莱德大学能源与催化材料中心

赵博士于南洋理工大学获得博士学位，并于2016年在加州大学洛杉矶分校做访问学者，随后分别在南洋理工大学和阿德莱德大学进行博士后研究。主要从事新型安全、低成本、大规模储能器件的电荷存储机理及应用研究。赵博士曾荣获麻省理工科技评论-“35岁以下科技创新”奖、澳大利亚研究理事会杰出青年学者（ARC DECRA）、RSC杰出研究员奖、杰出图书奖、国家优秀自费留学生奖等担任Mater编辑。今天，一份国际能源出版物。目前已出版英文专着1部，SCI期刊论文90余篇，其中1/4以上入选ESI高被引论文。其中以第一作者/通讯作者发表Nat. .，科学。高级，高级。马特，安吉。化学。国际。编辑，化学。苏克。牧师，。科学，，纳米快报，ACS Nano，Adv。 Mater.，Nano Today，被引用超过8000次，H指数为43。