CAT蓄电池通过双纳米阵列电极构型将锌电池倍率性能提升至超高水平：锌纳米片阵列阳极与聚苯胺纳米棒阵列阴极
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卡特蓄电池 发布时间：2026-02-27 10:31:24 点击： 次
引言
大规模储能系统的蓬勃发展需要高性能电池[[1], [2], [3]]。锂离子电池因其优异的综合性能，在储能系统中占据主导地位[4]。然而，锂离子电池存在锂资源有限和电解液易燃等潜在风险[5,6]。与锂离子电池相比，锌电池具有安全性高、成本低廉和锌资源丰富等优势，展现出广阔的研发前景[7,8]。倍率性能是电池应用于大规模储能时的关键指标[9,10]。该性能量化了电池在高电流密度下维持能量密度输出的能力。为提升锌电池倍率性能，优化电极材料构成至关重要环节[11]。
电极材料的优化主要体现在两个方面：(1)选择具有高电子电导率的电极材料[12,13]。锌电池的负极通常采用金属锌，其正极材料主要包括钒基氧化物、锰基氧化物、普鲁士蓝衍生物及导电聚合物等[[14], [15], [16]]。其中导电聚合物由于π电子共轭体系的存在，在这四类材料中展现出最高的电子电导率[17,18]。此外，聚合物因其自由体积大、元素组成简单且库仑斥力小等特点，使得离子在导电聚合物电极中的扩散更为容易[19,20]。作为一种导电聚合物，聚苯胺因其优异的理论比容量(295 mAh g−1）以及简便的结构调控特性[[21], [22], [23], [24]]。
（2）第二个方面是电极结构，该结构对电极内的电化学反应面积和离子传输效率产生影响[25]。传统电极由电极材料（碳基材料、金属及合金、浆料涂覆活性材料）和粘结剂（如PVDF、PTFE、Nafion）组成，具有无序结构[26]。在高电流密度条件下（如≥20 A g−1在无序电极中，由于电化学反应面积较小（活性位点数量有限）且传质效率受限，离子和电子可能无法及时迁移至活性位点，从而导致倍率性能下降[[27], [28], [29]]。因此，构建有序电极成为制备高倍率性能电池的有效解决方案[30,31]。
在我们先前的研究中，采用聚苯胺纳米棒阵列正极的锌电池倍率性能优于使用聚苯胺薄膜正极的体系[32,33]。我们还制备了碳毡上有序排列的聚苯胺纳米刺阵列作为锌电池正极，其倍率性能和循环稳定性均得到提升[34]。当直接使用锌片作为负极时，由于锌片传质缓慢且反应动力学迟缓，难以匹配聚苯胺纳米棒阵列正极在高电流密度下的快速赝电容氧化还原反应动力学[35,36]。通过制备有序结构电极可改善锌负极的动力学性能[37]。例如，采用石墨烯泡沫基底上的锌纳米片阵列和碳纳米管上的锌纳米片阵列替代传统锌片负极，使锌电池分别在50C和120C倍率下实现充放电[38,39]。为同步提升倍率性能与耐久性5锌8研究人员制备了氮掺杂碳层包覆的纳米棒阵列，并将其用作锌电池阳极。ZnO层和氮掺杂碳层包覆的锌阵列能有效抑制枝晶形成，从而获得高稳定性[40,41]。%%尽管有序聚苯胺阴极或有序锌阳极可提升锌电池的倍率性能，但整合有序聚苯胺阴极与有序锌阳极的锌电池制备工艺迄今尚未见报道。
本研究采用原位电沉积法在碳布上制备了锌纳米片阵列和聚苯胺纳米棒阵列，分别作为具有双纳米阵列电极结构的锌电池的阳极和阴极。该电池展现出优异的放电比容量（290.5 mAh g<sup>-1</sup>）−1(1 A g-1)−1以及超高倍率性能。在电流密度从1 A g-1提升至10 A g-1和50 A g-1时，该电池的容量保持率分别达到83.4%和65.9%。这两个数值均超过采用层状锌负极（73.4%和53.4%）或锌片负极（69.1%和17.1%）的锌电池对应性能指标。本研究为制备具有超高倍率性能的电池提供了重要参考。−110 A g-1−1锌电池的容量保持率分别达到83.4%和65.9%，这两个数值均超过采用层状锌负极（73.4%和53.4%）或锌片负极（69.1%和17.1%）的对应电池性能。通过循环伏安法（CV）曲线计算的赝电容贡献率表明，锌2+基于恒电流间歇滴定技术(GITT)测试的扩散系数和基于电化学阻抗谱(EIS)测试的等效电路电化学参数表明，双纳米阵列电极可增强锌电池的电化学反应面积并强化传质效率，从而实现超高倍率性能。在20 A g<sup>-1</sup>电流密度下对具有双纳米阵列电极结构的锌电池进行耐久性测试时−1经过12000次充放电循环后，容量保持率为82.2%。循环后，锌纳米片阵列和聚苯胺纳米棒阵列的形貌得以保持，证实了双纳米阵列电极结构锌电池具有优异的循环耐久性。
