引言

在新能源領域，電池技術的不斷進步一直是推動清潔能源廣泛應用和發(fā)展的核心驅動力。鋅空電池作為一種新興的能源電池技術，因其高能量密度、低廉的成本以及卓越的安全性能而受到廣泛關注。盡管如此，鋅空電池在實際應用過程中面臨一個重大難題：長時間的充放電循環(huán)會導致電池性能顯著下降。為了解決這一問題，科學家們開始探索如何通過改進粘結劑來增強電池的穩(wěn)定性。今天，我們將深入探討一項關于PVDF復合粘結劑的研究，揭示其如何顯著提升鋅空電池的電化學穩(wěn)定性。

鋅空電池是一種利用金屬鋅作為負極材料、空氣中的氧氣作為正極反應物的電池技術。它的理論能量密度遠超鋰離子電池，達到其五倍以上，同時具備成本低廉和安全性高的特點，因此在電動汽車、儲能系統(tǒng)等眾多領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。然而，鋅空電池在陰極氧還原反應過程中反應速度較慢，這限制了電池的轉換效率，影響了其實際應用效果。此外，長時間的充放電循環(huán)會導致催化層材料脫落，進一步降低了電池的長期性能表現(xiàn)。

粘結劑：電池性能的關鍵因素

在鋅空電池中，粘結劑扮演著至關重要的角色。它不僅能夠固定催化劑，還能傳導質子，從而直接影響電池的整體性能。目前，市場上常見的粘結劑主要有兩種：Nafion和PVDF。在鋅空電池中，Nafion 作為主流的粘結劑，能夠在催化層內形成一個連續(xù)的網(wǎng)絡，順利傳送質子，顯著提升電極性能。然而，Nafion 存在低濕度適應性差、高制造成本等缺點，且其親水性較高，長期處于水性體系電池中極易發(fā)生水淹，從而限制催化劑活性的發(fā)揮，導致催化層變形脫落，這些問題對鋅空電池的穩(wěn)定性產生重要影響。相比之下，聚偏二氟乙烯（PVDF）作為第一代電池粘結劑，具有穩(wěn)定的化學結構和良好的機械性能，在眾多商業(yè)化電池領域均發(fā)揮了良好的粘結作用。然而，PVDF 粘結劑的導電能力較差，且隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，極片的電子傳導性能和離子傳導性能均會逐漸降低，這大大限制了 PVDF 作為電池粘結劑的發(fā)展。在前期研究中，嘗試將聚四氟乙烯（PTFE）與 Nafion 復合，以提升粘結劑性能，取得了一定的效果。為了進一步探究復合粘結劑對非貴金屬催化劑組裝鋅空電池的運行穩(wěn)定性影響機制，采用自制的 Fe-MOF 衍生碳材料作為電池催化劑，將穩(wěn)定的 PVDF 與高質子傳導性的 Nafion 材料復合作為粘結劑，通過優(yōu)化粘結劑的濃度及組成，改善催化層的微觀結構，探究非貴金屬催化層穩(wěn)定性提升機制。

PVDF復合粘結劑的制備過程

研究人員通過精心調整Nafion和PVDF的比例，成功制備出一種名為10%PVN的復合粘結劑。具體制備步驟如下：

1. 將PVDF粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，形成10%的PVDF乳液。

2. 將Nafion溶液與PVDF乳液按照特定比例混合，攪拌均勻，最終得到10%PVN復合粘結劑。

這種復合粘結劑融合了Nafion的高質子傳導性和PVDF的化學穩(wěn)定性，為鋅空電池的長期穩(wěn)定運行提供了更為堅實的保障。

實驗結果：復合粘結劑的顯著效果

為了驗證復合粘結劑的實際效果，研究人員組裝了使用Fe-MOF衍生碳催化劑和10%PVN復合粘結劑的鋅空電池，并進行了長達170小時的充放電循環(huán)測試。

1. 催化層微觀形貌分析

通過使用掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)：

- 使用Nafion粘結劑的電池在經(jīng)過循環(huán)測試后，催化層出現(xiàn)了明顯的脫落和團聚現(xiàn)象。

- 而使用10%PVN復合粘結劑的電池，催化層結構保持完整，催化劑顆粒分布均勻，幾乎沒有發(fā)生團聚。

圖1電極催化層表面SEM圖

2. 電池性能對比

初始性能：使用10%PVN復合粘結劑的電池，其峰功率密度達到了106.2 mW/cm2，與使用純Nafion粘結劑的電池性能（125.9 mW/cm2）相差不大。

圖2 充放電循環(huán)前后電池性能曲線

由圖 2(a) 和圖 2(d) 可見，經(jīng)過 170 小時充放電循環(huán)后，F(xiàn)eMOF-N 電池和 FeMOF-10%PVN 電池的開路電壓均有所下降。圖 2(b) 顯示，相較于循環(huán)前的 FeMOF-N 電池充放電曲線，在相同電流密度下，循環(huán)后的 FeMOF-N 電池充放電電壓間隙顯著增大。從圖 2(c) 可知，F(xiàn)eMOF-N 電池的峰功率密度大幅下降，降幅達 93.2 mW/cm2。相比之下，F(xiàn)eMOF-10%PVN 電池在 170 小時充放電循環(huán)前后的充放電電壓區(qū)間變化較小，如圖 2(e) 所示。此外，循環(huán)測試后 FeMOF-10%PVN 電池的性能衰減并不顯著，如圖2(f) 所示，其放電峰功率密度僅減少 8.1 mW/cm2。循環(huán)前后電池的電化學性能指標詳見表 1。經(jīng)計算，循環(huán)后 FeMOF-10%PVN 電池的峰功率密度衰減率為 7.6%，不足 FeMOF-N 電池衰減率（74.0%）的九分之一。電池穩(wěn)定性測試進一步證實，相較于 FeMOF-N 電池，F(xiàn)eMOF-10%PVN 電池展現(xiàn)出更卓越的循環(huán)穩(wěn)定性。這得益于復合粘結劑中 PVDF 的優(yōu)異耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性，有效抵御了電解液對催化層的沖刷和侵蝕。此外，PVDF 與 Nafion 復合構建的粘結網(wǎng)絡實現(xiàn)了親疏水的合理平衡，為質子和氧氣在空氣陰極上的傳遞提供了穩(wěn)定且高效的路徑。

長期穩(wěn)定性：經(jīng)過170小時的充放電循環(huán)后，10%PVN電池的峰功率密度衰減率僅為7.6%，而使用Nafion粘結劑的電池衰減率高達74.0%。

這些實驗結果表明，10%PVN復合粘結劑不僅能夠保持電池的初始性能，還能顯著提升電池的長期運行穩(wěn)定性。

結論

本文闡述了通過精心調整Nafion和PVDF的比例，科學家們成功制備出了一種含有10%PVN的復合粘結劑。這種新型粘結劑在鋅空氣電池的應用中表現(xiàn)出了顯著的性能提升，特別是在提高電池長期穩(wěn)定性方面。通過使用這種復合粘結劑，研究人員觀察到它有效地抑制了催化層的脫落和團聚現(xiàn)象，這對于保持電池的性能至關重要。此外，復合粘結劑還成功地保持了催化劑顆粒的原有結構和形貌，這不僅有助于維持電池的高效率，還顯著延長了電池的使用壽命。

展望未來，隨著對這種復合粘結劑的進一步深入研究和持續(xù)優(yōu)化，鋅空氣電池技術有望在新能源領域扮演更加重要的角色。隨著技術的成熟和應用的拓展，鋅空氣電池有可能為電動汽車提供更加穩(wěn)定和高效的能源解決方案，同時也能在儲能系統(tǒng)等領域發(fā)揮關鍵作用，為推動可持續(xù)能源的發(fā)展做出重要貢獻。

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