韩国全南国立大学:如何将废铜线做成高性能碱性电池?

Dendritic Nanostructured Waste Copper Wires for High‑Energy Alkaline Battery

Nilesh R. Chodankar, Su‑Hyeon Ji, Young‑Kyu Han, Do‑Heyoung Kim*
Nano-Micro Lett.(2020)12:1
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0337-2
本文亮点

1 成功将电子废铜线用作高能线型可充电碱性电池的集流体
2 应用了可扩展的方法来重复利用和回收电子废弃物。
3 已开发的线型可充电碱性电池具有82.42 Wh/kg的高能量密度,并具有长期循环稳定性
研究背景

便携式电子产品,可植入生物医学设备和混合动力汽车的广泛发展,需要低成本高性能的能量存储设备。最近,可充电碱性电池(RAB)被认为是锂离子电池和超级电容器的替代储能设备,因为它拥有更高的能量密度和功率密度。但是,集流体的昂贵价格增加了储能装置的生产成本。利用废铜丝作为集流体来组装储能装置是一种极佳的策略。因此,研究人员开发了一种使用废铜线作为集流体的线型RAB。通过结合湿法(碱性腐蚀和化学沉积)和干法(原子层沉积)工艺设计了树枝状结构的NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu电极,以组装得到高比容量、高能量密度和长期循环性能的RAB。

内容简介

在过去的十年中,可充电碱性电池(RAB)因其高能量、低成本、操作安全和环保的特性受到了研究的广泛关注。然而,造价昂贵的电极材料和集流体限制了RAB在现实中的应用。全南国立大学的Do‑Heyoung Kim课题组通过将电子废料铜线制成高能RAB的集流来解决这一问题。废铜线改性电极组成的RAB具有很高的能量密度(82.42 Wh/kg)、出色的比容量(219 mAh/g)和长期循环稳定性(5000个循环后仍有94%的容量保持)。该研究为回收电子废物实现低成本储能应用提供了有效途径。

图文导读

I 电极的制备

树状结构的NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu电极的分步制备如图1所示。首先,通过金属丝步进机去除废铜丝的塑料非导电涂层,然后将所得的铜丝用碱性溶液处理很短的时间(5分钟),以形成垂直排列的Cu(OH)2纳米线。然后,为了增强Cu(OH)2纳米线的电导率,在Cu(OH)2纳米线上进行了NiO膜的ALD(200个循环)。由于NiO膜的ALD是在250°C的反应温度下进行的,因此Cu(OH)2转化为CuO,这将有利于增强RAB的电化学特性。最后,通过常规的化学沉积(CBD)在较低的反应温度下,将NiCo-氢氧化物纳米线制备在NiO/CuO/Cu线上。

图1 使用电子废铜丝制备用于RAB应用的树枝状结构NiCo-氢氧化物/ NiO / CuO / Cu电极的示意图。
II 电极的表征
图2显示了制备好的电极的FE‑SEM和TEM结果。如图2a,b所示,碱腐蚀后,Cu(OH)2纳米线均匀地铺在Cu线上。垂直对齐且间隔良好的Cu(OH)2纳米线对能量存储应用非常有利,因为它们为离子运动提供了足够的间隔。然而,为了克服Cu(OH)2纳米线的有限电导率,通过ALD进行了薄的NiO沉积(200个循环)。即使在200次ALD NiO循环之后,由于ALD技术中的保形沉积,电极仍保持了基本的纳米线状纳米结构,并且保持了其宏观性质。

TEM图像还显示了NiCo-NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu电极的树枝状纳米结构的形成(图2h, i)。在氢氧化镍的CBD之后,每根NiO/CuO/Cu纳米线都用氢氧化镍纳米线修饰以形成分支的纳米结构,这将通过提供较大的表面积和氧化还原来增强RAB的能量存储能力容量。从能量存储的角度来看,这种类型的纳米结构有利于电荷存储,因为它提供了大的表面积以及用于电荷转移的多个通道,这将同时提高能量和功率密度。

图2 (a, b) Cu(OH)2 / Cu线; (c,d)  NiO/CuO/Cu和 (e–g) NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu电极的FE‑SEM图像; (h, i) CoOH/NiO/CuO/Cu电极的TEM图像; (j) NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu电极的STEM‑EDS元素映射结果。

III 电化学性能

为了证明NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu电极对RAB的电化学性能优势,在具有2M KOH电解质的三电极系统中进行了比较循环伏安(CV)测量。CV表明废铜线电极具有更大的积分面积和较大的阳极和阴极电流,代表了更高的储能能力。作者同时计算了所有电极的长度电容,证明该电极电化学特性确实得到了提高。此外,为了确定NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu电极的倍率能力,在不同的扫描速率下进行了CV和充放电(CD)测量。通过在12mA的高电流下进行CD测量5000次,测量了NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu电极的循环稳定性,其中观察到了97%的容量保持率。树枝状结构的NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu电极具有更高的比容量,速率能力和长期循环稳定性方面的优异电化学性能。

图3 电极的电化学性能表征。
为了演示所制备电极在电池中的实际应用,以NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu为正极,活性炭(AC)/不锈钢(SS)为负极与PVA‑KOH水性凝胶电解质一起组装了RAB。在功率密度为1630.43 W/kg时,该器件的最高能量密度为82.42 Wh/kg;在能量密度为77.89 Wh/kg时,该器件的最高功率密度为3660.87 W/kg。重要的是,组装好的NiCo-氢氧化物/NiO/CuO/Cu//AC/SS RAB同时显示出更高的能量和功率密度,从而扩大了电池技术的适用性。此外,长期循环稳定性测试中,RAB在5000个CD循环中保持94%的容量,显示出出色的循环稳定性。
图5 电极组装可充电碱性电池性能。
作者简介

Do‑Heyoung Kim教授

韩国全南国立大学化工学院

主要研究领域
原子沉积技术应用于IC器件,超级电容器,太阳能电池和传感器

Email: kdhh@chonnam.ac.kr

撰稿:《纳微快报》编辑部

编辑:《纳微快报》编辑部

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