引言

在新能源領(lǐng)域，電池技術(shù)的不斷進(jìn)步一直是推動(dòng)清潔能源廣泛應(yīng)用和發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。鋅空電池作為一種新興的能源電池技術(shù)，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(guān)注。盡管如此，鋅空電池在實(shí)際應(yīng)用過程中面臨一個(gè)重大難題：長時(shí)間的充放電循環(huán)會導(dǎo)致電池性能顯著下降。為了解決這一問題，科學(xué)家們開始探索如何通過改進(jìn)粘結(jié)劑來增強(qiáng)電池的穩(wěn)定性。今天，我們將深入探討一項(xiàng)關(guān)于PVDF復(fù)合粘結(jié)劑的研究，揭示其如何顯著提升鋅空電池的電化學(xué)穩(wěn)定性。

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

粘結(jié)劑：電池性能的關(guān)鍵因素

在鋅空電池中，粘結(jié)劑扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅能夠固定催化劑，還能傳導(dǎo)質(zhì)子，從而直接影響電池的整體性能。目前，市場上常見的粘結(jié)劑主要有兩種：Nafion和PVDF。在鋅空電池中，Nafion 作為主流的粘結(jié)劑，能夠在催化層內(nèi)形成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，順利傳送質(zhì)子，顯著提升電極性能。然而，Nafion 存在低濕度適應(yīng)性差、高制造成本等缺點(diǎn)，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(dǎo)致催化層變形脫落，這些問題對鋅空電池的穩(wěn)定性產(chǎn)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(jié)劑，具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和良好的機(jī)械性能，在眾多商業(yè)化電池領(lǐng)域均發(fā)揮了良好的粘結(jié)作用。然而，PVDF 粘結(jié)劑的導(dǎo)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(dǎo)性能和離子傳導(dǎo)性能均會逐漸降低，這大大限制了 PVDF 作為電池粘結(jié)劑的發(fā)展。在前期研究中，嘗試將聚四氟乙烯（PTFE）與 Nafion 復(fù)合，以提升粘結(jié)劑性能，取得了一定的效果。為了進(jìn)一步探究復(fù)合粘結(jié)劑對非貴金屬催化劑組裝鋅空電池的運(yùn)行穩(wěn)定性影響機(jī)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(zhì)子傳導(dǎo)性的 Nafion 材料復(fù)合作為粘結(jié)劑，通過優(yōu)化粘結(jié)劑的濃度及組成，改善催化層的微觀結(jié)構(gòu)，探究非貴金屬催化層穩(wěn)定性提升機(jī)制。

PVDF復(fù)合粘結(jié)劑的制備過程

研究人員通過精心調(diào)整Nafion和PVDF的比例，成功制備出一種名為10%PVN的復(fù)合粘結(jié)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(fù)合粘結(jié)劑。

這種復(fù)合粘結(jié)劑融合了Nafion的高質(zhì)子傳導(dǎo)性和PVDF的化學(xué)穩(wěn)定性，為鋅空電池的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了更為堅(jiān)實(shí)的保障。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：復(fù)合粘結(jié)劑的顯著效果

為了驗(yàn)證復(fù)合粘結(jié)劑的實(shí)際效果，研究人員組裝了使用Fe-MOF衍生碳催化劑和10%PVN復(fù)合粘結(jié)劑的鋅空電池，并進(jìn)行了長達(dá)170小時(shí)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(jìn)行觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)：

- 使用Nafion粘結(jié)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(tuán)聚現(xiàn)象。

- 而使用10%PVN復(fù)合粘結(jié)劑的電池，催化層結(jié)構(gòu)保持完整，催化劑顆粒分布均勻，幾乎沒有發(fā)生團(tuán)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(fù)合粘結(jié)劑的電池，其峰功率密度達(dá)到了106.2 mW/cm2，與使用純Nafion粘結(jié)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(shí)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(dá) 93.2 mW/cm2。相比之下，F(xiàn)eMOF-10%PVN 電池在 170 小時(shí)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(xué)性能指標(biāo)詳見表 1。經(jīng)計(jì)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(jìn)一步證實(shí)，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(fù)合粘結(jié)劑中 PVDF 的優(yōu)異耐腐蝕性和化學(xué)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(fù)合構(gòu)建的粘結(jié)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了親疏水的合理平衡，為質(zhì)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(shí)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(jié)劑的電池衰減率高達(dá)74.0%。

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，10%PVN復(fù)合粘結(jié)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(yùn)行穩(wěn)定性。

結(jié)論

本文闡述了通過精心調(diào)整Nafion和PVDF的比例，科學(xué)家們成功制備出了一種含有10%PVN的復(fù)合粘結(jié)劑。這種新型粘結(jié)劑在鋅空氣電池的應(yīng)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(fù)合粘結(jié)劑，研究人員觀察到它有效地抑制了催化層的脫落和團(tuán)聚現(xiàn)象，這對于保持電池的性能至關(guān)重要。此外，復(fù)合粘結(jié)劑還成功地保持了催化劑顆粒的原有結(jié)構(gòu)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(fù)合粘結(jié)劑的進(jìn)一步深入研究和持續(xù)優(yōu)化，鋅空氣電池技術(shù)有望在新能源領(lǐng)域扮演更加重要的角色。隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用的拓展，鋅空氣電池有可能為電動(dòng)汽車提供更加穩(wěn)定和高效的能源解決方案，同時(shí)也能在儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為推動(dòng)可持續(xù)能源的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

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