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Integrated and Binder‐Free Air Cathodes of Co3Fe7 Nanoalloy and Co5.47N Encapsulated in Nitrogen‐Doped Carbon Foam with Superior Oxygen Reduction Activity in Flexible Aluminum‐Air Batteries
Advanced Science ( IF 14.3 ) Pub Date : 2020-08-05 , DOI: 10.1002/advs.202000747 Min Jiang 1 , Chaopeng Fu 1 , Ruiqi Cheng 1 , Wei Zhang 2 , Tongyao Liu 1 , Ruibin Wang 3 , Jiao Zhang 1 , Baode Sun 1
Advanced Science ( IF 14.3 ) Pub Date : 2020-08-05 , DOI: 10.1002/advs.202000747 Min Jiang 1 , Chaopeng Fu 1 , Ruiqi Cheng 1 , Wei Zhang 2 , Tongyao Liu 1 , Ruibin Wang 3 , Jiao Zhang 1 , Baode Sun 1
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All‐solid‐sate Al‐air batteries with features of high theoretical energy density, low cost, and environmental‐friendliness are promising as power sources for next‐generation flexible and wearable electronics. However, the sluggish oxygen reduction reaction (ORR) and poor interfacial contact in air cathodes cause unsatisfied performance. Herein, a free‐standing Co3Fe7 nanoalloy and Co5.47N encapsulated in 3D nitrogen‐doped carbon foam (Co3Fe7@Co5.47N/NCF) is prepared as an additive‐free and integrated air cathode for flexible Al‐air batteries in both alkaline and neutral electrolytes. The Co3Fe7@Co5.47N/NCF outperforms commercial platinum/carbon (Pt/C) toward ORR with an onset potential of 1.02 V and a positive half‐wave potential of 0.92 V in an alkaline electrolyte (0.59 V in sodium chloride solution), which is ascribed to the unique interfacial structure between Co3Fe7 and Co5.47N supported by 3D N‐doped carbon foam to facilitate fast electron and mass transfer. The high ORR performance is also supported by in‐situ electrochemical Raman spectra and density functional theory calculation. Furthermore, the fabricated Al‐air battery displays good flexibility and delivers a power density of 199.6 mW cm−2, and the binder‐free and integrated cathode shows better discharge performance than the traditionally slurry casting cathode. This work demonstrates a facile and efficient approach to develop integrated air cathode for metal‐air batteries.
中文翻译：
封装在氮掺杂碳泡沫中的 Co3Fe7 纳米合金和 Co5.47N 的集成无粘合剂空气阴极在柔性铝空气电池中具有优异的氧还原活性
全固态铝空气电池具有理论能量密度高、成本低、环境友好等特点，有望作为下一代柔性可穿戴电子产品的电源。然而，缓慢的氧还原反应（ORR）和空气阴极中不良的界面接触导致性能不令人满意。在此，制备了一种封装在 3D 氮掺杂碳泡沫中的独立式 Co 3 Fe 7纳米合金和 Co 5.47 N（Co 3 Fe 7 @Co 5.47 N/NCF），作为柔性 Al- 的无添加剂集成空气阴极。碱性和中性电解质中的空气电池。 Co 3 Fe 7 @Co 5.47 N/NCF 在 ORR 方面优于商业铂/碳 (Pt/C)，在碱性电解质中起始电位为 1.02 V，正半波电位为 0.92 V（在氯化钠中为 0.59 V）溶液），这归因于 Co 3 Fe 7和 Co 5.47 N 之间由 3D N 掺杂碳泡沫支撑的独特界面结构，以促进快速电子和质量传递。高 ORR 性能也得到了原位电化学拉曼光谱和密度泛函理论计算的支持。此外，所制造的铝空气电池表现出良好的柔韧性，功率密度为199.6 mW cm -2 ，并且无粘合剂集成正极比传统的浆料铸造正极表现出更好的放电性能。这项工作展示了一种开发金属空气电池集成空气阴极的简便有效的方法。
更新日期：2020-09-23
中文翻译：
封装在氮掺杂碳泡沫中的 Co3Fe7 纳米合金和 Co5.47N 的集成无粘合剂空气阴极在柔性铝空气电池中具有优异的氧还原活性
全固态铝空气电池具有理论能量密度高、成本低、环境友好等特点，有望作为下一代柔性可穿戴电子产品的电源。然而，缓慢的氧还原反应（ORR）和空气阴极中不良的界面接触导致性能不令人满意。在此，制备了一种封装在 3D 氮掺杂碳泡沫中的独立式 Co 3 Fe 7纳米合金和 Co 5.47 N（Co 3 Fe 7 @Co 5.47 N/NCF），作为柔性 Al- 的无添加剂集成空气阴极。碱性和中性电解质中的空气电池。 Co 3 Fe 7 @Co 5.47 N/NCF 在 ORR 方面优于商业铂/碳 (Pt/C)，在碱性电解质中起始电位为 1.02 V，正半波电位为 0.92 V（在氯化钠中为 0.59 V）溶液），这归因于 Co 3 Fe 7和 Co 5.47 N 之间由 3D N 掺杂碳泡沫支撑的独特界面结构，以促进快速电子和质量传递。高 ORR 性能也得到了原位电化学拉曼光谱和密度泛函理论计算的支持。此外，所制造的铝空气电池表现出良好的柔韧性，功率密度为199.6 mW cm -2 ，并且无粘合剂集成正极比传统的浆料铸造正极表现出更好的放电性能。这项工作展示了一种开发金属空气电池集成空气阴极的简便有效的方法。
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