Advanced Materials：一種超快空氣自充電鋅電池

一、 【導讀】?

可充電電池通常需要外部電源進行充電，但在惡劣或偏遠環境中可能無法實現充電和重復使用。為解決這一問題，人們已經致力于設計自充電電力系統，能夠將太陽能、熱能、機械能或化學能轉化為電能并同時儲存。其中，化學自充電系統因對環境依賴較低而備受關注。在這方面，空氣自充電水性鋅電池得到了顯著的發展，通過氧氣的化學能進行電能轉化和儲存，即使在無氧環境下也能運行。然而，由于反應動力學限制和氧氣的氧化還原電位問題，其充電速率和容量表現有限。為改進這一問題，引入氧還原反應催化劑可顯著提高自充電鋅電池的性能，特別是在陰極結構方面，使用貴金屬納米顆粒等催化劑，并采用多孔導電網絡和無粘合劑的陰極結構有助于提高性能。

二、【成果掠影】

近日，南開大學化學學院先進能源材料化學教育部重點實驗室牛志強課題組通過構建PANI@Pt/C復合陰極，設計了一種超快速的空氣自充電水性鋅電池。引入Pt/C催化劑賦予PANI與氧氣之間的氧化還原反應快速的反應動力學和擴展的氧化還原電位差。因此，Zn/PANI@Pt/C電池的自充電速率得到有效加速，它們可以自充電至完全充電狀態。此外，PANI在放電過程中可以同時通過氧氣進行充電，以彌補消耗的電能，實現了能源供應的延長。此外，由于其出色的機械性能，PANI@Pt/C陰極可以直接用作柔性自充電鋅電池的陰極。作為概念驗證，還制造了柔性軟包裝的Zn/PANI@Pt/C電池，并在不同彎曲狀態下展現了穩定的電化學性能和自充電能力。這項工作提供了一種設計超快速化學自充電能量存儲設備的途徑，并拓寬了柔性能源存儲設備的應用領域。相關成果以“An Ultrafast Air Self-Charging Zinc Battery”發表在Advanced Materials上。

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?三、【核心創新點】

該研究創新性地設計了PANI@Pt/C復合陰極，實現了超快速的自充電水性鋅電池，同時具備卓越的柔性性能。

四、【數據概覽】

圖1. Zn/PANI@Pt/C電池和Zn/PANI電池的空氣自充電機制示意圖。? 1999-2023 John Wiley & Sons

圖2. ? 1999-2023 John Wiley & Sons

a) PANI@Pt/C的優化結構和PANI與Pt/C之間計算的相互作用能。

b) PANI@Pt/C的變形電荷密度。

c) PANI中C的部分態密度。

d) Pt的部分態密度。

e) PANI、PANI@Pt/C和O₂的優化結構和計算的前線分子軌道能級。

f) PANI和PANI@Pt/C復合材料的ORR極化曲線。

圖3. Zn/PANI@Pt/C和Zn/PANI電池的化學充電/恒流放電行為。? 1999-2023 John Wiley & Sons

a) 原位空氣自充電曲線。

b) 電池的放電容量。

c) 空氣自充電時間的比較。

d) 不同空氣自充電時間后，在O₂或Ar氣氛中的鋅電池的恒流放電容量。

e) 鋅電池的重復化學充電/恒流放電循環。

f) Zn/PANI@Pt/C電池的倍率性能。

g) 當電解質引入空氣流和不引入空氣流時，Zn/PANI@Pt/C電池的化學充電/恒流放電曲線。

圖4. PANI在空氣自充電過程中的結構演變。? 1999-2023 John Wiley & Sons

a) 自充電過程中PANI結構演變的示意圖。

b) 9小時后Zn/PANI@Pt/C電池和Zn/PANI電池的空氣自充電曲線。

c) 傅里葉變換紅外光譜。

d) 拉曼光譜。

e) 在還原、半氧化和氧化狀態下，PANI總氮元素中各種氮物種的計算含量。

f) 不同自充電狀態下PANI@Pt/C和PANI的X射線光電子能譜。

圖5. 柔性包裝的Zn/PANI@Pt/C電池的空氣自充電行為? 1999-2023 John Wiley & Sons

a) 0.5 mV s^?1的CV曲線。

b) 在2 A g^?1下彎曲1000次的柔性包裝Zn/PANI@Pt/C電池的循環性能。

c) 在不同彎曲狀態下柔性包裝的Zn/PANI@Pt/C電池的重復化學充電/恒流放電循環。

d) 智能夾克的示意圖和具有兩種供電模式的電路圖。

e) 夾克的光學圖像，

f) 由智能夾克的Mode 1供電的血氧儀，

g) 由夾克的Mode 2供電的智能手機的光學圖像。

五、【成果啟示】

總之， 本研究通過在陰極引入Pt/C催化劑，開發了超快速的空氣自充電水性鋅電池。借助Pt/C催化，PANI與氧氣之間的自發氧化還原反應具有增強的反應動力學和擴展的氧化還原電位差。因此，用盡的電池可以快速氧化到完全充電狀態。Zn/PANI@Pt/C電池在0.1 A g^?1下具有1.28 V的開路電壓和261.7 mA h g^?1的放電容量。相比之下，Zn/PANI電池只能自充電到半充電狀態，放電容量為61.1 mAh g^?1，且不如前者。此外，PANI在放電過程中可以與氧氣同時充電，以彌補消耗的電能，為電池提供了額外的大容量。此外，PANI@Pt/C陰極還具有出色的機械性能，因此可以直接用作柔性自充電鋅電池的陰極。作為概念驗證，制備了柔性軟包裝的Zn/PANI@Pt/C電池，并在不同彎曲狀態下展現了穩定的電化學性能和自充電能力。這項工作提供了一種有望設計超快速的空氣自充電能量存儲設備的策略，并為可穿戴電子系統的進步做出了貢獻。

原文詳情：Su, W., Zhang, Y., Wang, H., Yang, M., Niu, Z., An Ultrafast Air Self-Charging Zinc Battery. Adv. Mater. 2023, 2308042.

https://doi.org/10.1002/adma.202308042