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接觸角測量如何幫助我們延長可充電鋅空氣電池( Zinc-Air Batteries )的循環壽命
背景知識:
與許多其他電池類型相比，可充電鋅空氣電池( Zinc-Air Batteries )近年來受到廣泛關注，這是因為鋅空氣電池是利用空氣作為反應源，具有較高的能量密度和能量比，被認為是一種有潛力的綠色能源儲存技術。對於鋅空氣電池的開發來說，其中一個主要的挑戰是設計高效的氣體擴散層（GDL），以增加氧氣的擴散速率和電池的循環壽命(cycle life)。
通常來說，GDL 會設計成細薄且平坦的多孔層狀膜材，然而這種多層結構需要複雜的製造過程，使商業化生產 GDL 變得相當繁瑣。為了克服這個問題，目前的研究旨在通過凍結鑄造( Freeze casting )和膠帶鑄造( Tape casting )的結合，來生成具有不同形狀的3D多孔結構。
作為首選材料，基於矽的聚合物衍生陶瓷（ PDC ）被廣泛用於 GDL 的製造，因為它具有可調控的孔隙大小、孔隙形態、表面特性和導電度。最近， Wilhelm 和其同事利用凍結膠帶鑄造技術，開發了一種新型多孔導電陶瓷膜作為鋅空氣電池的陽極 GDL ，因其具備的高度疏水性顯著提高了電池的循環壽命。
實驗設計:
在這項研究中，作者首先製備了厚度為 390 µm、孔隙率為 55 %的雙層結構，然後引入了導電填料（石墨和碳納米管）以及超疏水塗層（聚四氟乙烯，PTFE），分別用於改善 GDL 的導電率和疏水性。
陶瓷GDL是通過凍結膠帶鑄造法製造的，如下圖一所示，首先是將陶瓷聚合物溶於環己烷中，然後加入交聯劑和導電填料，在膠帶鑄造後，鑄造的膜材經過凍結乾燥和熱解處理，得到最終的多孔膜材。
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圖一、使用凍結膠帶鑄造方法製備陶瓷氣體擴散層(GDL)的製程
為了研究成品 GDL 的表面性質，他們使用來自 DataPhysics 公司的光學輪廓分析系統 OCA 進行接觸角測量，如下圖二所示，添加填料後使 GDL 表面變得更疏水（填料中含有奈米碳管與否將使接觸角從 72.2° 變為 87.6° ），而裸露的陶瓷 GDL 則顯示出親水特性（接觸角 48.8° ），如果再將 GDL 塗覆上聚四氟乙烯（PTFE）將使其表面變為更加疏水（填料中含有奈米碳管與否將使接觸角從 120.2 °變為 137.5° ），可達到與市售產品相似的接觸角結果（約 144.1° ），此外，新 GDL 的孔隙率可以達到55%，這是高於商業 GDL（50-52%）的水平。
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圖二、陶瓷聚合物在不同製程下的水接觸角(WCA)
表一、不同製備條件的GDL水接觸角結果及應用其的鋅空氣電池性能比較表
後續透過進行放電-充電測量(參見上表一)，評估了新型 GDL 在鋅空氣電池中的性能，特別是經聚四氟乙烯（PTFE）塗覆的 MK40Gr50/PTFE GDL 能夠持續輸出能量更長的時間，達到持續放電 48 小時以上。
除了能量輸出的時間變長，新的 GDL 具有比市售 GDL（542 mAh/g）擁有更高的比電容量（625 mAh/g），並由於對稱的海綿狀結構，陶瓷 GDL 還具有改善的氧氣交換速率和氧離子/電子動力學的短路徑，因此展現出超過 200 個循環和超過 48 小時的出色循環壽命。
值得一提的是，由於在超疏水表面上高度排列的雙層結構，陶瓷 GDL 即使在 200 個循環後也不會出現形態變化，MK40Gr50/PTFE 和 MK50Gr45CNT5/PTFE 陶瓷 GDL 具有迄今為止報告的最高容量、操作電位和可逆性。從本篇文章中我們可以發現孔隙率、導電性和疏水性的正確組合在改善鋅空氣電池性能方面上扮演著重要作用。
結語:
總結而言，作者使用一種比商業方法更簡便的特殊凍結膠帶鑄造技術，製備了新型陶瓷 GDL，通過引入導電填料（石墨和碳納米管）和疏水塗層（聚四氟乙烯 PTFE ），使得陶瓷 GDL 的孔隙率、導電性和疏水性得到了大幅改善。
這項發現為未來設計具有出色鋅空氣電池性能的3D分級多孔陶瓷 GDL 提供了啟示。
在這項研究中，使用了來自 DataPhysics 公司的光學輪廓分析系統 OCA，如欲了解更多實驗細節，請參考以下文章：
參考資料:
- A new silicon oxycarbide based gas diffusion layer for zinc-air batteries; Prabu Moni, Amanda Deschamps, Daniel Schumacher, Kurosch Rezwan, Michaela Wilhelm; Journal of Colloid and Interface Science 2020, 577, 494-502; DOI: 10.1016/j.jcis.2020.05.041
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