今日鋅空電池Science:可充鋅空氣電池新體系

CYM 3年前 (2021-01-03) 7119瀏覽

【引言】
基于鋅和氧反應的鋅空氣電池（ZABs）已經使用了一個多世紀，具有成本低率，高安全性，環保性，以及高能量密度。但這些電池一直是原電池（即不可充電的電池）。其中成功應用在在醫療和通訊，如微型助聽器和無線消息收發設備等。但是可逆ZABs的關鍵挑戰來自強堿性電解質，該電解質對活性陰極材料（環境空氣）在化學上不穩定，并且在很大程度上會導致Zn金屬副極發生電化學不可逆性。鋅金屬負極在循環過程中會產生枝晶，從而導致非均勻電沉積和持久性的腐蝕消耗電解質。為了解決這個問題，必須使用過量的Zn，從而導致其理論容量的利用不足。在陰極側，堿性電解質與一氧化碳之間的反應在空氣中產生不溶的碳酸鹽，該碳酸鹽不可逆地消耗電解質，并且在物理上使多孔空氣陰極阻塞并化學失活。因此，復雜的電池設計使得能量密度的進一步減小。由于O₂的氧化還原反應是通過傳統堿性電解質中緩慢的4電子(e^-)O-O鍵裂解和形成發生的，因此必須在正極上使用雙功能催化劑。提高ZABs可逆性的努力集中在開發空氣陰極的雙功能催化劑或通過電極結構設計或電解質添加劑延長Zn負極循環壽命。

近日，德國明斯特大學Martin Winter教授，復旦大學王飛研究員，馬里蘭大學王春生教授和美國陸軍實驗室許康研究員（共同通訊作者）提出了一種Zn-O₂/(ZnO₂)化學反應，它在非堿性水系電解質中通過2e^-/O₂過程進行，這使得鋅空氣電池中的氧化還原反應具有高度可逆性。這種ZnO₂是由疏水三氟甲基磺酸鹽陰離子引起的空氣陰極上富水和鋅離子(Zn²⁺)的內亥姆霍茲過渡區形成的。這樣構造的非堿性鋅-空氣電池不僅可以耐受環境空氣中的穩定運行，而且還比堿性電池具有更好的可逆性。本文研究結果表明，只要正確選擇了非堿性電解質，電池就可以使用可逆性更好的雙電子鋅氧/過氧化鋅化學物質工作。通過使電解質疏水，可以將水從陰極的近表面排除，從而防止四電子還原。這些電池還顯示出更高的能量密度和更好的循環穩定性。相關研究成果以“A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry”為題發表在Science上。