天津大學/復旦大學研究團隊J. Mater. Chem. A. 綜述：用于金屬空氣電池的二價或多價金屬電極最新進展及挑戰

引言

金屬空氣電池（MAB）具有極高的理論能量密度，并且在成本、環保性和安全性方面具有優勢，因此近年來受到了廣泛的關注。MAB的性能與其金屬電極密切相關，枝晶、形變、腐蝕、鈍化等問題嚴重制約了MAB的發展和商業化。目前研究較多的金屬電極材料除了Li、Na、K等堿金屬，還有Zn、Al、Mg、Fe等二價或多價金屬。這些不同金屬電極工作時遇到的問題有相似也有差異，因此，系統性地總結不同金屬電極面臨的挑戰以及相應的應對策略和研究進展是非常必要的。

成果簡介

近日，來自天津大學和復旦大學的研究團隊在Journal of Materials Chemistry A上發表了題為“Recent advances and challenges in divalent and multivalent metal electrodes for metal-air batteries”的綜述。這篇綜述系統總結了金屬空氣電池中金屬電極面臨的瓶頸問題以及應對這些問題的最新研究進展。本文重點關注了Zn、Al、Mg、Fe等常見金屬空氣電池，從金屬電極的角度比較了這幾種體系的優勢和短板。通過歸納腐蝕、鈍化、枝晶等問題以及相應的應對策略在這些金屬電極中的相似和差異，可以更好地指導未來研究。此外，由于金屬電極的性能與電解質密不可分，本文對致力于通過改進電解質來提升金屬電極性能的研究也進行了總結。

圖文導讀

圖1?不同水系和非水系金屬空氣電池的理論質量比能量、體積比能量和標稱電壓

圖2

?a.金屬電極分類，b.電解質分類，c.水系和非水系金屬空氣電池中金屬電極面臨的典型問題，d.枝晶、形變、腐蝕、鈍化等金屬電極常見問題的示意圖。

圖3?典型非水系和水系金屬空氣電池的工作原理示意圖

圖4?采用同步輻射XRD原位表征

d.純Zn，e.Zn-6%Bi₂O₃，f.?Zn-12%Bi₂O₃和g.?Zn-25%Bi₂O₃在放電過程中的變化。

圖5?

a.AEI改性的鋅海綿電極表面和本體的XRD圖譜，b.兩種鋅海綿電極的成分，c.SEM形貌和EDX面掃結果，d.改性鋅海綿電極在紐扣型空氣電池中的充放電曲線，e.在Swagelok型空氣電池中的充放電曲線

圖6?

纖維型鋁空氣電池的a.制備方法，b-c.不同彎曲角度或拉伸比率下的放電曲線，d-e.單個或兩個串聯時的功率密度曲線f-g.驅動商用LED手表的圖片

圖7

固態鎂空氣電池的a.示意圖，b.橫截面照片，c-d.采用CS-[Ch]-[NO₃]電解質和PBS電解質時鎂陽極在不同電流密度下的放電曲線，e-f.放電后的電極表面形貌圖，g-h.平臺電壓和相應的功率密度

圖8?鐵空氣電池（濃堿介質）中鐵電極氧化層演變的示意圖

圖9?鐵熔融空氣電池的示意圖和充放電曲線

圖10 采用鐵電極的固態氧化物氧化還原空氣電池的充放電原理和充放電曲線

圖11 硅電極和硅化物電極的性質以及用于空氣電池時的性能曲線

總結和展望

1. 未來的研究應該同時考慮金屬電極不同維度的性能，尤其應該權衡相互之間可能存在性能犧牲，例如電極的放電深度和循環壽命：必須要開發出在深度放電條件下能夠多周期循環的金屬電極才可以使金屬空氣電池比肩甚至超過鋰電，實現其商業化。

2. 有關金屬空氣電池的反應機理尚需進一步的研究，尤其是金屬電極相關的腐蝕、鈍化、枝晶生長等副反應的根本機制，可以結合先進的原位分析手段加以澄清，在此基礎上，可以更好地進行金屬電極的成分和結構設計。

3.目前的研究中報道的金屬電極的性能歸一化參數尚不統一，例如在計算能量密度時采用了不同的質量，難以進行歸一化和相互比較，因此，有必要針對金屬電極建立標準的評價方法和評價參數，以更好地推動這一領域的發展。

文章鏈接

Y.Sun, X. Liu, Y. Jiang, J. Li, J. Ding, W. Hu, C. Zhong^*, Recent advances and challenges in divalent and multivalent metal electrodes for metal–air batteries, J. Mater. Chem. A. 7 (2019) 18183–18208.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA05094A#!divAbstract

本文由課題組學生Marry供稿。

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