Direct growth of ordered N‐doped carbon nanotube arrays on carbon fiber cloth as a free‐standing and binder‐free air electrode for flexible quasi‐solid‐state rechargeable Zn‐Air batteries

材料科学 碳纳米管 电极 纳米技术 电催化剂 碳纤维 化学工程 复合材料 电化学 化学 复合数 工程类 物理化学
作者
Qian Lü,Xiaohong Zou,Kaiming Liao,Ran Ran,Wei Zhou,Meng Ni,Zongping Shao
出处
期刊:Carbon energy [Wiley]
卷期号:2 (3): 461-471 被引量:61
标识
DOI:10.1002/cey2.50
摘要

Abstract The development of an air electrode that is flexible in physical property and highly active and durable at different geometric status for both oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) is of crucial importance for the rational design of flexible rechargeable Zn‐air batteries (ZABs). Considering their good elasticity, high conductivity, and superior thermal and chemical stability, carbon nanotubes have been widely used as a catalyst support in various electrocatalysts, while oxide or metal nanoparticles have been frequently deposited on the carbon nanotube substrate to perform as the active materials. Considering the poor contact between active materials and carbon nanotubes may introduce a challenge for long‐term operating stability, in particular in flexible devices, pure carbon electrocatalyst is highly appreciated. Herein, a free‐standing air electrode with cobalt nanoparticles encapsulated N‐codoped carbon nanotube arrays uniformly grown on the surface of carbon fiber cloth is developed by a two‐step in situ growth method. Such a carbon‐based electrode shows outstanding activity for both ORR and OER. The flexible ZAB with such air electrode shows superior flexibility and stability working under extreme bending conditions. Moreover, the polarization and round‐trip efficiency for the flexible battery is 0.67 V and 64.4% at 2 mA/cm 2 , respectively, even after being operated for 30 hours. This study provides a feasible way to design all carbon‐based free‐standing and flexible electrode and enlightens the electrode design for flexible energy conversion/storage devices.
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