ACS Energy Letters：堿性鋅空氣電池鋅電極所面臨的挑戰—商業化的障礙

【引言】

可持續能源技術的發展是實現經濟持續增長、構建和諧社會的重大挑戰。近來，金屬空氣電池作為一種環保能源技術，由于其理論能量密度遠高于鋰離子電池，有望成為下一代電化學儲能電池。在各種金屬空氣電池技術中，鋅空氣電池因其能量密度高、成本低、安全環保等優點而具有廣闊的發展前景。鋅空氣電池的陰極活性物質是來自大氣中的氧，它是取之不盡的。一次鋅空氣電池目前已上市，并已成功地應用于低電流電器設備中，如助聽器。開發可充電的鋅空氣電池，在過去的十年中，研究人員已經探索了一些低成本、高容量的正極和負極材料，用于開發可充電的鋅空氣電池。二次鋅空氣電池已經在儲能設備和電動汽車上得到了初步應用，但到目前為止，二次鋅空氣電池在大規模商業化進程上仍有很大的改進空間。

【成果介紹】

近日，天津大學博士生趙澤泉總結了限制可充電鋅空氣電池中鋅陽極存在的問題，并結合當前的相關學術研究，指明了鋅空氣電池陽極未來的發展方向。該工作通過分析鋅電極在電池使用過程中所存在的鈍化、枝晶生長和析氫腐蝕反應等關鍵問題對可充電鋅空氣電池的充放電性能，在現有研究的基礎上展望了克服鋅負極問題的關鍵途徑，為未來二次鋅空氣電池的商業應用打下基礎。該研究成果以“Challenges in Zinc Electrodes for Alkaline Zinc–Air Batteries: Obstacles to Commercialization”為題發表在期刊ACS Energy Letters上。

【圖文導讀】

圖1

（a）鋅金屬陽極放電過程中鈍化層形成示意圖：充電后的鈍化層不完全可逆，充電后僅剩一薄層ZnO。（b）在放電電流密度為25 mA cm^–2時，電解液循環速率為150 mL min^–1的電池的恒流放電曲線圖。

圖2

（a）鋅金屬陽極放電過程中鈍化層形成示意圖。（b）ZnO的比容量和庫侖效率（1.03 mg）， ZnO@ c （0.94 mg）。（c）經過三次循環的裸ZnO陽極和ZnO@ c陽極的SEM圖像。

圖3

（a）利用纖維-掃描電鏡斷層掃描得到的單個鋅枝晶的三維圖像。（b）不同有機添加劑鋅電極1000循環后的SEM顯微照片。（c）鋅陽極經過20循環用于無機添加劑。（d）Zn陽極與PANa電解質之間的準SEI形成示意圖。

圖4

（a）60℃時，鋅凝膠陽極表面析出氫氣體積測量。（b）涂覆Al₂O₃的鋅粒子的透射電鏡圖像。（c）PANI@Zn在環境溫度下24小時的放電曲線。

【小結】

本文綜述了可充電堿性鋅空氣電池用鋅電極的發展和最新趨勢，討論了可充電鋅空氣電池常見陽極失效的主要研究進展。盡管研究已經取得了諸多學術成就,但挑戰仍然存在。例如，目前缺乏同時解決所有陽極問題的統一方法、對電極失效機制的認識不足、缺乏統一的電池電化學性能評價標準。因此，除了在電極設計、隔膜、電解液、充放電制度等方面進行研究外，今后還需要在以下幾個方面進行努力:

（1）未來的研究需要同時涵蓋多個陽極失效問題。在電池的放電和充電過程中，鋅電極鈍化、枝晶生長和析氫反應是同時存在的，未來研究考慮到所有失效問題。例如，對納米陽極粒子的空間約束就是一個很好的例子：納米粒子核可以克服鈍化，而包覆的離子篩分納米殼可以通過減緩鋅離子的遷移而保持陽極形貌。此外，由于金屬鋅在充電過程中不能沉積在其他位置，鋅被限制在特定的空間中可以防止電極的變形。然而，離子篩分納米殼并不能阻止HER反應的發生，因為電極和電解液之間的相互作用仍然存在。為了阻止HER的發生，合成的外殼可以需要阻止鋅顆粒直接與堿性電解質相互作用，但與此同時容量也被降低，這與鈍化研究所追求的提高容量的目的又產生了矛盾。因此，接下來的研究需要注意，緩蝕劑對鋅表面活性位點的過度阻滯。

（2）研究人員需要注意對電極的改性是否會對電池的其他性能造成負面影響。例如，由于較大比例的非活性添加劑可能會增加電極的質量和體積，因此，引入電極添加劑對能量密度的影響需要關注。同樣，除了提高電池的循環性能，研究人員還需要注意添加劑和改性電極的引入是否會對電池的阻抗和功率密度等其他性能產生負面影響。

（3）鋅電極在堿性條件下的鈍化機理研究有待加強。未來的研究可以通過實時監測鋅電極在充放電過程中的結構來揭示鈍化機理。特別是鋅電極的不同形貌和結構可能具有不同的主導機制。該方法的優點是可以制備出比納米鋅電極更容易鈍化的不同晶粒的電極態。

（4）應解決因電池結構設計或物理因素造成的陽極問題。目前幾乎沒有一項研究考慮到與改性電解質或陽極配對的電池結構設計來接近商用電池。

（5）大氣成分與鋅陽極問題之間的關系應得到重視。除鈍化、枝晶和析氫反應等常見問題外，鋅陽極還可能受到空氣成分的影響。

文章鏈接：

Zhao Zequan, Fan Xiayue, Ding Jia, Wenbin Hu,?Cheng Zhong,?and Jun Lu. Challenges in Zinc Electrodes for Alkaline Zinc–Air Batteries: Obstacles to Commercialization?[J]. ACS Energy Letters, 2019, 4(9): 2259-2270.?DOI: 10.1021/acsenergylett.9b01541

本文由天津大學博士生趙澤泉供稿。

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