第一作者：Zhiyan Chen,Qichen Wang, Xiaobin Zhang
通讯作者：Yongpeng Lei,Yaobing Wang
第一单位：中南林业科技大学
可充锌-空气电池具有容量大、理论比能量高、工作充放电电压平稳、安全和环保等突出特点，在便携式电源、新能源汽车和无人机等领域受到研究人员的高度关注。相较于传统的液态电池，全固态锌-空气电池在可穿戴电子产品、医疗电子乃至军事领域有无可比拟的优势，是下一代清洁电源的重要发展方向之一。
电催化氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）是可充锌-空气电池的关键，OER和ORR的多步骤电子转移过程和缓慢动力学会产生较大的过电位，严重降低了反应效率。如何提高全固态锌-空气电池在不同使用状态下的稳定性，是摆在科研工作者面前的一个重要难题。
贵金属Ru（Ir）基和Pt基催化剂是目前高效的OER和ORR电催化剂，但贵金属催化剂的稀缺性、不菲的价格以及差强人意的稳定性阻碍了其广泛应用。因此，在保证高性能的前提下，开发廉价、高效的非贵金属双功能催化剂，其重要性不言而喻。
碳材料的缺陷是电催化（ORR/OER/HER）活性位之一，近年来被广泛关注。碳气凝胶是一种多孔、非晶态的纳米碳材料，其比表面积高、孔隙发达，颗粒贯通的三维网络结构和富缺陷等特点在电催化方面具有较大优势。但纯的碳气凝胶电催化活性不高，与贵金属催化剂有较大差距。一方面，N掺杂是一种有效调控碳电子结构的手段；另一方面，包覆金属的碳层与金属作用发生电子转移，导致金属-碳层之间的界面极化，形成新的催化活性中心。
因此，科研工作者基于碳材料构建Zn-Air电池电催化剂，需要解决的问题包括：
1）如何利用商业碳材料（如碳气凝胶），简单地改性制备高性能双功能氧催化剂？
2）能否尽量减少金属的用量？
3）这种电催化剂在全固态锌-空气电池中的性能（功率密度、循环稳定性）如何得到提升？
有鉴于此，中南大学雷永鹏教授和中科院福建物质结构研究所王要兵教授团队合作，报道了一种含微量Co（1.5 wt.％）的N掺杂缺陷碳作为高效的双功能氧析出/氧还原催化剂，并基于此构建了柔性全固态Zn-Air电池。
图1Co-NDC表征(a) SEM图，(b) TEM图，(c) HRTEM图，(d) Co-NDC和Co箔的CoK-edge的R空间谱图，(e) Co-NDC的拟合Raman谱图，(f) 高倍N 1s谱图
研究表明，所制备的Co-NDC材料的高活性主要归因于独特四个因素的协同作用：
1）微-介孔结构（1~3 nm）；
2）石墨-N掺杂（高达49.0％）；
3）丰富的缺陷；
4）石墨碳包覆的钴纳米颗粒。
作为空气电极组装到锌-空气电池，可充式液态锌-空气电池表现出优异的性能（最大功率密度为154.0 mW cm-2；在5 mA cm-2时的能量密度为773 Wh kg-1和超过100圈的优秀循环充放电稳定性）。基于此，研究人员进一步组装了柔性、可充式全固态锌-空气电池，最高功率密度高达45.9 mW cm-2。
图2电池性能测试 NDC,Co-NDC,Pt/C和RuO2/C的(a) OER极化曲线；(b) NDC,Co-NDC和Pt/C的ORR极化曲线，(c) Co-NDC在不同转速的极化曲线，(d) Co-NDC和Pt/C的放电曲线和对应的功率密度曲线，(e) Co-NDC和Pt/C + Ir/C在10 mA cm-2条件下的充放电循环稳定性，(f) 全固态电池示意图，(g) Co-NDC的充放电曲线和对应的功率密度曲线，(h) Co-NDC在2 mA cm-2的充放电循环稳定性，插图为全固态锌-空气电池弯折180度后的使用情况。
总之，本文介绍了一种基于“固相热解”策略制备的含微量Co的N掺杂缺陷碳双功能催化剂，为柔性可穿戴电子产品、医疗电子等领域的应用带来了新的借鉴。
Chen Z,Wang Q, Zhang X, et al. N-doped defective carbon with trace Co for efficientrechargeable liquid electrolyte-/all-solid-state Zn-air batteries. Science Bulletin, 2018, DOI: 10.1016/j.scib.2018.04.003
