朱澤陽, 魏濟(jì)時(shí), 黃健航, 董向陽, 張鵬, 熊煥明
晶格空位ZnO納米棒的制備及其在鎳鋅電池中的應(yīng)用
朱澤陽, 魏濟(jì)時(shí), 黃健航, 董向陽, 張鵬, 熊煥明
(復(fù)旦大學(xué) 化學(xué)系, 上海市分子催化和功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200433)
作為綠色、高功率密度的二次電池, 鎳鋅電池的應(yīng)用往往受限于負(fù)極材料性能的不足。本工作以烏洛托品(HMT)為模板劑, 通過溶膠-凝膠法合成與熱退火處理制備了高性能ZnO納米棒。透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)和紅外光譜(FT-IR)數(shù)據(jù)分別揭示了ZnO納米棒的微觀形貌、晶型結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)。X射線光電子能譜(XPS)和電子順磁共振(EPR)結(jié)果表明ZnO納米棒中存在表層碳和晶格空位。Tafel曲線和電化學(xué)阻抗等測試表明: 與ZnO商品相比, ZnO納米棒電極的腐蝕電流和電荷轉(zhuǎn)移電阻分別降低了40%和62%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), ZnO納米棒構(gòu)筑的鎳鋅電池具有更好的循環(huán)性能, 在1 A·g–1下循環(huán)100圈后, ZnO納米棒的容量保持率為92%, 顯著優(yōu)于市售的ZnO粉末(32%)。
鎳鋅電池; 晶格空位; ZnO納米棒; 負(fù)極材料; 電化學(xué)性能
隨著傳統(tǒng)化石能源的不斷消耗, 能源和環(huán)境問題得到了人們廣泛的關(guān)注。太陽能、風(fēng)能等作為綠色、可再生能源, 可以有效緩解能源與環(huán)境問題[1]。然而, 這些綠色能源具有間斷性、不穩(wěn)定性、地域性等不足, 需要高效的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其可用價(jià)值, 例如使用超級電容器[2-4]、二次電池[5-7]等來進(jìn)行綠色能源的存儲(chǔ)和運(yùn)輸。然而, 現(xiàn)有的二次電池都存在明顯的局限性, 譬如鋰電池受限于易燃的有機(jī)電解液、高昂的制造成本和有限的鋰礦資源; 鉛酸電池的短板則來自于能量密度與功率密度的不足以及對環(huán)境的污染; 而較低的工作電壓與功率密度也一直制約了鎳氫電池的實(shí)際應(yīng)用。與這些電池體系相比, 鎳鋅電池具有功率高、電極材料資源豐富、安全性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn), 被認(rèn)為是鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池的有力競爭者與替代品[8-9]。
近年來, 氧化鋅(ZnO)由于高的理論容量(659 mAh·g–1)與低廉的價(jià)格而被廣泛應(yīng)用于商用鎳鋅電池[10-11]。但其易溶解與導(dǎo)電性差等缺點(diǎn)一直是亟待解決的難題[12-13]。迄今為止, 研究人員報(bào)道了多種優(yōu)化策略: 一是構(gòu)建合適的微觀結(jié)構(gòu)。例如, 一維結(jié)構(gòu)的ZnO納米材料(包括納米管、納米線與納米棒等)有利于電子的轉(zhuǎn)移和電解液的滲透, 可以有效提升活性材料的利用率[14]; 二是與碳材料進(jìn)行復(fù)合。例如, Li等[11]將少量碳引入ZnO負(fù)極中, 增強(qiáng)了電池的導(dǎo)電性能并有效限制了ZnO的溶解, 延長了電池的循環(huán)壽命; 三是構(gòu)筑晶格空位。Xie等[15]通過密度泛函理論計(jì)算, 證明材料中的氧空位可導(dǎo)致電荷分布不均勻, 形成面內(nèi)局域電場, 有利于電池循環(huán)中離子或電荷的擴(kuò)散遷移。Huang等[16]發(fā)現(xiàn)電極材料中鋅空位可以提供更大的接觸界面并活化更多的反應(yīng)位點(diǎn), 進(jìn)而提升材料的倍率性能。
以上研究表明, 合適的微觀結(jié)構(gòu)、少量的碳材料復(fù)合、內(nèi)部的晶格空位都能夠有效地改良ZnO電極材料的性能。本工作把以上策略融為一體, 通過溶膠-凝膠法合成與熱退火處理相結(jié)合, 獲得具備三方面優(yōu)點(diǎn)的ZnO納米材料, 簡單高效地提升ZnO材料的電化學(xué)性能, 針對鎳鋅電池負(fù)極材料性能不足的問題, 提出有效的解決方案。
氧化鋅(ZnO, 99%, 上海泰坦科技集團(tuán)); 聚四氟乙烯乳液(PTFE, 60%, 杜邦); 一水合氫氧化鋰(LiOH·H2O, AR, 上海阿拉丁); 乙炔黑(ACET, 99.9+%,國藥集團(tuán)); 鋅粉(Zn, 99.9%, Sigma-Aldrich); 六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O), 烏洛托品(HMT), 氫氧化鉀(KOH), 氟化鉀(KF)和氫氧化鎳(Ni(OH)2)均為分析純, 購于國藥集團(tuán)。
如圖1, 通過蠕動(dòng)泵以6 mL·min–1的滴速向150 mL 2.4 mg·mL–1烏洛托品水溶液中滴加150 mL 4.2 mg·mL–1硝酸鋅水溶液, 85 ℃加熱反應(yīng)10 h。冷卻至室溫后, 過濾反應(yīng)液得到白色固體。用去離子水清洗三遍, 以除去未反應(yīng)的原料, 在85 ℃烘箱中干燥12 h, 即可得到白色粉末。在氮?dú)獾谋Wo(hù)下, 將白色粉末置于管式爐中, 以1 ℃·min–1升溫至600 ℃, 煅燒2 h, 之后以1 ℃·min–1降至室溫, 得到灰白色的ZnO納米棒粉末(ZnO NRs, 圖1插圖)。
以200 kV加速電壓進(jìn)行場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM, Tecnai G2 F20 S-Twin)的觀測。通過X射線衍射儀(XRD, SMART CCD), 以CuKα射線(= 0.1542 nm)測量樣品的晶型。使用紅外光譜儀(FT-IR, Nicolet iS10)測量樣品中含有的官能團(tuán)。在空氣氣氛中, 使用熱失重分析儀(TGA8000)以10 ℃·min–1的升溫速度測量樣品的熱重曲線。采用拉曼光譜儀(XploRA microraman system)表征樣品的結(jié)構(gòu)。使用X射線光電子能譜(XPS, PHI 5000C&PHI 5300)獲取樣品的結(jié)構(gòu)與表層元素種類等信息。在常溫下, 采用電子順磁共振波譜儀(EPR, ELEXSYS E580), 檢測材料的晶格空位。通過掃描電鏡(SEM, Phenom Prox)觀察電極片活性材料充放電前后的形貌變化。
圖1 ZnO納米棒的制備以及電池組成示意圖, 插圖為ZnO納米棒粉末照片
在三電極體系下, 使用辰華電化學(xué)工作站(CH Instruments 660E)進(jìn)行循環(huán)伏安曲線、Tafel曲線以及電化學(xué)阻抗測試。其中以Hg/HgO電極為參比電極, 涂有活性炭的316L不銹鋼網(wǎng)為對電極。以ZnO商品或ZnO納米棒作為電極活性材料, 鋅粉和乙炔黑為導(dǎo)電劑, PTFE乳液為粘合劑, 按75 : 10 : 10 : 5的質(zhì)量比, 制得工作電極。電解液為4 mol?L–1KOH, 0.1 mol?L–1LiOH·H2O, 0.9 mol?L–1KF和過量ZnO (加至底部存有適量氧化鋅沉淀且不再溶解)的混合水溶液。
使用Ni(OH)2為正極材料, 乙炔黑為導(dǎo)電劑, PTFE乳液為粘合劑, 以8 : 1 : 1的質(zhì)量比, 制得正極漿料。為了充分發(fā)揮負(fù)極的性能, 鎳正極的容量需是鋅負(fù)極的三倍以上。以ZnO商品或ZnO納米棒為負(fù)極, 電解液成份不變, 分別組裝Ni(OH)2// Commercial ZnO和Ni(OH)2//ZnO NRs兩種鎳鋅電池。將電池靜置24 h后, 以0.2 A·g–1的電流密度充電6 h, 然后在1 A·g–1的電流密度下放電至1.2 V, 充放電循環(huán)10圈來活化電極材料并用藍(lán)電電池測試系統(tǒng)(CT2001A)測試鎳鋅電池性能。
圖2為兩種ZnO的透射電鏡照片。ZnO商品(圖2(a))的粒徑為100~300 nm。從圖2(b)中可以看到ZnO納米棒長約2 μm, 寬約130 nm。大的長寬比, 有利于電解液的浸潤, 提升活性材料的利用率[14]。圖2(c)表明ZnO納米棒具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)并且棒上分布著大小不一的孔, 這種孔結(jié)構(gòu)有利于離子的快速遷移[8]。此外, 從ZnO納米棒的高分辨透射電鏡(圖2(d))中可以看出: 其外層的晶格間距為0.34 nm, 對應(yīng)碳結(jié)構(gòu)的(002)晶面; 其內(nèi)層的晶格間距為0.26 nm, 對應(yīng)ZnO的(101)晶面[17]。這表明ZnO納米棒具有表層碳包覆結(jié)構(gòu)。
圖2 (a) ZnO商品和(b~d) ZnO納米棒的透射電鏡照片
采用XRD測定ZnO的晶型。如圖3(a), ZnO商品和ZnO納米棒與標(biāo)準(zhǔn)譜(JCPDS 00-036-1451)相一致, 說明兩者都屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu), 為P63mc空間群。ZnO納米棒的XRD圖譜中2= 32.2°, 34.9°, 36.7°, 48.0°, 57.0°, 63.3°, 66.8°, 68.4°, 69.5°處的峰分別對應(yīng)于纖鋅礦ZnO(100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112), (201)晶面[18]。此外, 前驅(qū)體在2=43.51°和44.17°處的兩個(gè)弱峰表明其含有少量的Zn(OH)2[19]。而經(jīng)過熱退火處理的ZnO納米棒則不含有Zn(OH)2。
圖3 ZnO商品、ZnO納米棒前驅(qū)體和ZnO納米棒的(a)XRD圖譜和(b)紅外光譜圖
圖3(b)為ZnO樣品的紅外光譜。ZnO商品位于3449 cm–1處的寬峰和1618 cm–1處的弱峰分別為O–H的伸縮振動(dòng)峰和剪式彎曲振動(dòng)峰, 這源于其表面的吸附水[20]。其492 cm–1處的紅外吸收峰為Zn–O鍵的伸縮振動(dòng)峰。此外, 在ZnO納米棒的紅外光譜圖上也存在這三種吸收峰, 其Zn–O鍵峰藍(lán)移至544 cm–1處。前驅(qū)體的紅外光譜在1042 cm–1處有明顯的紅外吸收峰, 這屬于C–O鍵的伸縮振動(dòng)峰[21]。這表明前驅(qū)體表面有一定量的有機(jī)物, 在缺氧狀態(tài)下的熱退火處理, 使得ZnO納米棒表面形成了碳層包覆結(jié)構(gòu)。
對ZnO納米棒進(jìn)行熱重分析(圖4(a)), 從室溫至200 ℃樣品重量損失了0.16%, 這源于樣品中吸附水的蒸發(fā); 從200~800 ℃樣品重量損失了1.6%, 這源于樣品中的碳在空氣中被氧化成二氧化碳, 結(jié)果表明ZnO材料中碳含量僅有1.6%。低的碳含量導(dǎo)致ZnO納米棒的XRD圖譜中未出現(xiàn)明顯碳信號。拉曼光譜圖(圖4(b))在94.3 (E2(低)聲子模), 433.1 (E2(高)聲子模)和331.9 cm–1(E2H-E2L(多聲子)模) 三處顯著的峰屬于纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO[22]。1352 (D模)和1598 cm–1(G模)處兩個(gè)明顯的峰, 表明樣品中存在石墨化碳[23], 而紅外光譜圖無法表征石墨化碳, 因此, 在ZnO納米棒的紅外光譜圖中未發(fā)現(xiàn)明顯的碳信號。
圖4 ZnO納米棒的(a)熱重曲線和(b)拉曼光譜
通過XPS對ZnO納米棒表面進(jìn)行半定量分析, 得到其外層碳的元素摩爾比達(dá)到37.7%, 這也表明在缺氧狀態(tài)下的熱退火處理, 使得樣品外層產(chǎn)生一定量的碳結(jié)構(gòu)。外層碳在一定程度上抑制了ZnO納米棒在堿性電解液中的溶解并有效提升了其導(dǎo)電性能。同時(shí), 外層碳也使ZnO納米棒呈現(xiàn)灰白色(圖1插圖)。圖5(a)為Zn2p的XPS擬合圖譜。在ZnO納米棒中, 1023.2和1046.4 eV的兩個(gè)峰分別對應(yīng)于Zn2p3/2和Zn2p1/2。兩峰之間的差值為Zn2p自旋軌道分裂能(23.2 eV), 這主要是以ZnO形式存在的鋅[24]。O1s峰的擬合圖譜(圖5(b))表明, ZnO納米棒中有三種類型的氧, 位于530.6 eV處的峰來自Zn–O鍵, 532.6 eV處的峰源于樣品表面吸附水的O–H鍵, 531.6 eV處的峰屬于氧空位的峰[25]。與ZnO商品相比, ZnO納米棒的氧空位峰明顯增強(qiáng), 表明在ZnO納米棒中存在更多的氧空位。
圖5 ZnO商品和ZnO納米棒的XPS高分辨譜((a) Zn2p, (b) O1s); (c) ZnO商品和ZnO納米棒的電子順磁共振譜
電子順磁共振測試(EPR)是確定物質(zhì)是否存在晶格空位最有效的方法[26]。從樣品的EPR圖譜 (圖5(c))中, 發(fā)現(xiàn)ZnO商品在相關(guān)區(qū)域內(nèi)沒有信號, 這表明商業(yè)產(chǎn)品中不存在明顯的晶格空位。ZnO納米棒在=1.959處有信號, 表明體系中存在氧空位。同時(shí)在=2.002處的弱信號表明體系中含有少量的鋅空位[27]。氧空位的存在有利于活性材料中電子或離子的傳輸, 進(jìn)而提升材料的導(dǎo)電性能[15,28]。同時(shí), 少量的鋅空位也在一定程度上提供了更多的電化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn), 提升材料的倍率性能[29]。
將ZnO商品和ZnO納米棒制成工作電極, 以10 mV·s–1的掃速, 測量了兩者的循環(huán)伏安曲線(圖6(a)), 與ZnO商品相比, ZnO納米棒具有更顯著的氧化還原峰與更大的峰電流, 表明其具有更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)和更少的副反應(yīng)[12]。此外, 循環(huán)伏安曲線中的氧化峰對應(yīng)于工作電極的放電過程, ZnO納米棒更低的氧化峰電位表明其具有更高的放電電壓平臺(tái), 因而ZnO納米棒電極具有更好的電化學(xué)性能。本課題組進(jìn)一步測量了兩種材料的耐腐蝕性能(圖6(b)和表1)。與ZnO商品相比, ZnO納米棒電極的腐蝕電位正向偏移16 mV, 表明ZnO納米棒更不易被腐蝕。同時(shí), ZnO納米棒具有更小的腐蝕電流, 說明其腐蝕速度更慢, 耐腐蝕能力更強(qiáng)。耐腐蝕性的提升, 源于ZnO納米棒的表層碳減少了其與電解液的過度接觸。圖6(c)為兩種材料的Nyquist圖譜, 包括高頻區(qū)的半圓與低頻區(qū)的直線。高頻區(qū)半圓與橫軸的交點(diǎn)為溶液電阻(S), 半圓的直徑代表電荷轉(zhuǎn)移電阻(CT), 低頻區(qū)的直線與鋅酸鹽的擴(kuò)散有 關(guān)[30]。從表1可以看出, ZnO納米棒具有更小的CT與S, 其低電阻源于半導(dǎo)體ZnO的表層碳和體系中的氧空位對于電子電導(dǎo)的貢獻(xiàn), 以及自身多孔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的離子擴(kuò)散能力。
以ZnO商品或ZnO納米棒電極為負(fù)極制備了兩種鎳鋅電池, 并進(jìn)行相關(guān)電化學(xué)測試。因?yàn)樨?fù)極組分中導(dǎo)電劑鋅粉的含量不高(10wt%), 本工作將ZnO和鋅粉兩者的混合比容量作為ZnO材料的比容量(ZnO), 并通過公式(1)計(jì)算:
式中,為電極放電容量,e為電極總質(zhì)量(包括ZnO材料、導(dǎo)電劑和粘合劑)。
對于鎳鋅電池而言, 高的充電平臺(tái)容易產(chǎn)生電極副反應(yīng)(如析氫反應(yīng)), 同時(shí)造成庫倫效率低下; 而低的放電平臺(tái)則意味著較低的輸出能量密度。因此, 是否具有更低的充電平臺(tái)與更高的放電平臺(tái)是衡量電池性能的關(guān)鍵。圖7(a~d)為不同電流密度下, 兩電池的充放電曲線。整體而言, 以ZnO納米棒為負(fù)極的鎳鋅電池具有更好的充放電平臺(tái)電壓, 特別是在大的電流密度下, 這種優(yōu)勢更加明顯。高的輸出電壓意味著高的能量輸出能力, 這與ZnO納米棒具有更小的內(nèi)阻、更高的電極反應(yīng)活性以及與電解液更加良好的接觸等優(yōu)點(diǎn)密不可分。
圖6 ZnO商品和ZnO納米棒電極的電化學(xué)性能
(a) CV curves at a scan rate of 10 mV·s–1; (b) Tafel plots; (c) Nyquist plots
表1 ZnO商品和ZnO納米棒的Tafel曲線和電化學(xué)阻抗參數(shù)
圖7 以ZnO商品或ZnO納米棒為負(fù)極、氫氧化鎳為正極的鎳鋅電池的電化學(xué)性能
(a-d) Charge-discharge curves at different current densities; (e) Rate capabilities; (f) Cycling performances
衡量電池性能優(yōu)劣的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)為電池的倍率性能。從圖7(e)可以看到在不同電流密度下, ZnO納米棒為負(fù)極的電池具有更高的比容量。當(dāng)電流密度從1 A·g–1上升至10 A·g–1(1.5~15)時(shí), ZnO納米棒的容量保持率仍有59.1%, 顯著優(yōu)于相同情況下ZnO商品的容量保持率(40.1%)。同時(shí)相比于文獻(xiàn)中的結(jié)果(表2), ZnO納米棒依然具有明顯的優(yōu)勢。而當(dāng)電流密度再降低至1 A·g–1時(shí), ZnO納米棒的比容量可以回升至初始值的93%, 高于ZnO商品的89%, 具有更好的可逆性。因此, 與ZnO商品相比, ZnO納米棒具有更好的倍率性能, 也保證了該材料在功率密度方面的優(yōu)勢。
表2 不同氧化鋅負(fù)極材料的倍率性能
循環(huán)壽命不夠理想是ZnO負(fù)極材料發(fā)展路途中的最大瓶頸之一。如圖7(f)顯示了兩種材料在1 A·g–1(1.5)下的循環(huán)性能。在充放電循環(huán)中, ZnO納米棒的初始比容量為555.0 mAh·g–1, 此后其比容量會(huì)有一個(gè)先升再降的過程, 在第47圈, 其比容量上升至最高, 為560.4 mAh·g–1。這是因?yàn)樵谄鹗茧A段, 電極材料并未被完全活化。經(jīng)過100圈循環(huán)后, ZnO納米棒的比容量緩慢衰減至510.0 mAh·g–1, 其容量保持率高達(dá)92%。而以ZnO商品為負(fù)極的鎳鋅電池, 經(jīng)過100圈循環(huán)后, 比容量迅速衰減, 僅剩下初始值的32%, 相當(dāng)于ZnO納米棒的三分之一。與文獻(xiàn)結(jié)果比較(表3), ZnO納米棒依然具有良好的容量保持率。此外, 經(jīng)過250圈循環(huán)后, ZnO納米棒的容量保持率仍高達(dá)到81%。因此, ZnO納米棒具有更優(yōu)異的循環(huán)性能。
表3 不同氧化鋅負(fù)極材料的循環(huán)性能
圖8 在5 A·g–1電流密度下, (a, b)ZnO商品和(c, d)ZnO納米棒100圈循環(huán)(a, c)前(b, d)后的掃描電鏡照片
將Ni(OH)2//commercial ZnO和Ni(OH)2//ZnO NRs在5 A·g–1的電流密度下, 充放電循環(huán)100圈之后, 拆開電池, 剪下兩者的負(fù)極片, 在掃描電鏡下觀察循環(huán)前后, 電極材料形貌的變化。如圖8, ZnO商品在循環(huán)前后, 形貌發(fā)生了明顯的變化, 而ZnO納米棒則依然擁有明顯的棒狀結(jié)構(gòu)。因此, 與ZnO商品相比, ZnO納米棒具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性, 這與之前的電化學(xué)測試結(jié)果相一致。
以烏洛托品為模板劑, 將溶膠–凝膠法合成與熱退火處理相結(jié)合, 制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的多孔ZnO納米棒。結(jié)構(gòu)表征顯示, ZnO納米棒同時(shí)具備孔結(jié)構(gòu)、外層碳包覆以及晶格空位等諸多優(yōu)點(diǎn)。而相應(yīng)的電化學(xué)測試表明, 與ZnO商品相比, 本工作制備的ZnO納米棒電極具有更高的電化學(xué)反應(yīng)活性、更好的導(dǎo)電性與更佳的耐腐蝕性。電池的測試結(jié)果也進(jìn)一步表明: 與ZnO商品相比, 以ZnO納米棒為負(fù)極制備的鎳鋅電池具有更高的容量、更好的倍率與循環(huán)性能。該材料給高性能ZnO負(fù)極的制備提供了新穎的思路。
[1] CHEN L N, YAN M Y, MEI Z W,. Research progress and prospect of aqueous zinc ion battery., 2017, 32(3): 225–234.
[2] WEI X J, LI Y B, GAO S Y. Biomass-derived interconnected carbon nanoring electrochemical capacitors with high performance in both strongly acidic and alkaline electrolytes., 2017, 5(1): 181–188.
[3] WEI X J, ZOU H L, GAO S Y. Chemical crosslinking engineered nitrogen-doped carbon aerogels from polyaniline-boric acid- polyvinyl alcohol gels for high-performance electrochemical capacitors., 2017, 123: 471–480.
[4] WEI X J, WEI J S, LI Y B,. Robust hierarchically interconnected porous carbons derived from discarded Rhus typhina fruits for ultrahigh capacitive performance supercapacitors., 2019, 414: 13–23.
[5] MA G Q, JIANG Z M, CHEN H C,. Research process on novel electrolyte of lithium-ion battery based on lithium salts., 2018, 33(7): 699–710.
[6] TAN Y, XUE B. Research progress on lithium titanate as anode material in lithium-ion battery., 2018, 33(5): 475–482.
[7] OUYANG Y, GUO Y P, LI D,. Single additive with dual functional- ions for stabilizing lithium anodes., 2019, 11(12): 11360–11368.
[8] LIU J P, GUAN C, ZHOU C,. A flexible quasi-solid-state nickel-zinc battery with high energy and power densities based on 3D electrode design., 2016, 28(39): 8732–8739.
[9] HUANG J H, YANG Z H, YANG B,. Ultrasound assisted polymerization for synthesis of ZnO/polypyrrole composites for zinc/nickel rechargeable battery., 2014, 271: 143–151.
[10] WEN R J, YANG Z H, FAN X M,. Electrochemical performances of ZnO with different morphology as anodic materials for Ni/Zn secondary batteries.,2012, 83: 376–382.
[11] LI J, ZHAO T H, SHANGGUAN E B,. Enhancing the rate and cycling performance of spherical ZnO anode material for advanced zinc-nickel secondary batteries by combineddoping and coating with carbon., 2017, 236: 180–189.
[12] ZHAO Z J, YANG K, PENG K,. Synergistic effect of ZnO@Bi/C sphere for rechargeable Zn-Ni battery with high specific capacity., 2019, 410: 10–14.
[13] YANG H, YANG Z H, WEN X,. Thegrowth of zinc-aluminum layered double hydroxides on graphene and its application as anode active materials for Zn-Ni secondary battery., 2017, 252: 507–515.
[14] LAI S B, JAMESH M I, WU X C,. A promising energy storage system: rechargeable Ni-Zn battery., 2017, 36(5): 381–396.
[15] XIE Q S, LIU P F, ZENG D Q,. Dual electrostatic assembly of graphene encapsulated nanosheet-assembled ZnO-Mn-C hollow microspheres as a lithium ion battery anode., 2018, 28(19): 1707433.
[16] HUANG G Y, YANG Y, SUN H Y,. Defective ZnCo2O4with Zn vacancies: synthesis, property and electrochemical application., 2017, 724: 1149–1156.
[17] SHEN X Y, MU D B, CHEN S,. Enhanced electrochemical performance of ZnO-loaded/porous carbon composite as anode materials for lithium ion batteries., 2013, 5(8): 3118–3125.
[18] KIM J, IM Y, PARK K S,. Improved cell performances in Ni/Zn redox batteries fabricated by ZnO materials with various morphologies synthesized using amine chelates., 2017, 56: 463–471.
[19] WU P Y, PIKE J, ZHANG F,. Low-temperature synthesis of zinc oxide nanoparticles., 2006, 3(4): 272–278.
[20] NOEI H, QIU H S, WANG Y M,. The identification of hydroxyl groups on ZnO nanoparticles by infrared spectroscopy., 2008, 10(47): 7092–7097.
[21] N’KONOU K, HARIS M, LARE Y,. Effect of barium doping on the physical properties of zinc oxide nanoparticles elaboratedsonochemical synthesis method., 2016, 87(1): 4.
[22] KIM J G, LEE S H, KIM Y,. Fabrication of free-standing ZnMn2O4mesoscale tubular arrays for lithium-ion anodes with highly reversible lithium storage properties., 2013, 5(21): 11321–11328.
[23] LIU J P, LI Y Y, DING R M,. Carbon/ZnO nanorod array electrode with significantly improved lithium storage capability., 2009, 113(13): 5336–5339.
[24] KAMBLE A, SINHA B, CHUNG K,. Facile linker free growth of CdS nanoshell on 1-D ZnO: solar cell application., 2015, 11(2): 171–179.
[25] ZENG Y X, LAI Z Z, HAN Y,. Oxygen-vacancy and surface modulation of ultrathin nickel cobaltite nanosheets as a high-energy cathode for advanced Zn-ion batteries., 2018, 30(33): 1802396.
[26] NANDI P, DAS D. Photocatalytic degradation of rhodamine-B dye by stable ZnO nanostructures with different calcination temperature induced defects., 2019, 465: 546–556.
[27] XIA T, WALLENMEYER P, ANDERSON A,. Hydrogenated black ZnO nanoparticles with enhanced photocatalytic performance., 2014, 4(78): 41654–41658.
[28] DENG S J, ZHANG Y, XIE D,Oxygen vacancy modulated Ti2Nb10O29-xembedded onto porous bacterial cellulose carbon for highly efficient lithium ion storage., 2019, 58: 355–364.
[29] CARBONE M. Zn defective ZnCo2O4nanorods as high capacity anode for lithium ion batteries., 2018, 815: 151–157.
[30] YAN X Y, CHEN Z X, WANG Y,.growth of ZnO nanoplates on graphene for the application of high rate flexible quasi-solid-state Ni-Zn secondary battery., 2018, 407: 137–146.
[31] SUN L S, YI Z, LIN J,. Fast and energy efficient synthesis of ZnO@RGO and its application in Ni-Zn secondary battery., 2016, 120(23): 12337–12343.
[32] GUO W C, TIAN Z L, YANG C,. ZIF-8 derived nano-SnO2@ZnO as anode for Zn/Ni secondary batteries., 2017, 82: 159–162.
[33] ZHAO T H, SHANGGUAN E B, LI Y,. Facile synthesis of high tap density ZnO microspheres as advanced anode material for alkaline nickel-zinc rechargeable batteries., 2015, 182: 173–182.
[34] HUANG J H, YANG Z H, WANG T T. Evaluation of tetraphenylporphyrin modified ZnO as anode material for Ni-Zn rechargeable battery., 2014, 123: 278–284.
Preparation of ZnO Nanorods with Lattice Vacancies and Their Application in Ni-Zn Battery
ZHU Zeyang, WEI Jishi, HUANG Jianhang, DONG Xiangyang, ZHANG Peng, XIONG Huanming
(Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials, Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200433, China)
As a type of environmental benign secondary battery with high power density, Ni-Zn battery is often limited by the weakness of negative electrode materials in the applications. In this work, ZnO nanorods (NRs) with high performance were synthesized by Sol-Gel process with hexamethylenetetramine (HMT) as template and subsequent thermal annealing treatment. Morphology, crystalline structure and surface functional groups of ZnO NRs were characterized by transmission electron microscope (TEM), X-ray powder diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscope (FT-IR), respectively. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electron paramagnetic resonance (EPR) measurements reveal that ZnO NRs have carbon layers on the surface and vacancies in the lattice. Tafel tests and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) show thatthe corrosion current and charge transfer resistance of ZnO NRs-based electrodes are reduced by 40% and 62%, respectively, compared with commercial ZnO. Further investigation show that Ni-Zn batteries fabricated with ZnO NRs have better cycling performances. After 100 cycles at a current density of 1 A·g–1, the capacity retention rate of ZnO NRs is 92%, which is significantly higher than that of commercial ZnO powder (32%).
nickel-zinc battery; lattice vacancy; ZnO nanorod; anode material; electrochemical performance
TQ15
A
1000-324X(2020)04-0423-08
10.15541/jim20190195
2019-05-05;
2019-07-26
國家自然科學(xué)基金(21975048, 21771039);上??茖W(xué)技術(shù)委員會(huì)(19DZ2270100)
National Natural Science Foundation of China (21975048, 21771039); Shanghai Science and Technology Committee (19DZ2270100)
朱澤陽(1992–), 男, 碩士研究生. E-mail: 15210220045@fudan.edu.cn
ZHU Zeyang (1992–), male, Master candidate. E-mail: 15210220045@fudan.edu.cn
熊煥明, 教授. E-mail: hmxiong@fudan.edu.cn
XIONG Huanming, professor. E-mail: hmxiong@fudan.edu.cn