天津大学/复旦大学研究团队J. Mater. Chem. A. 综述：用于金属空气电池的二价或多价金属电极最新进展及挑战

引言

金属空气电池（MAB）具有极高的理论能量密度，并且在成本、环保性和安全性方面具有优势，因此近年来受到了广泛的关注。MAB的性能与其金属电极密切相关，枝晶、形变、腐蚀、钝化等问题严重制约了MAB的发展和商业化。目前研究较多的金属电极材料除了Li、Na、K等碱金属，还有Zn、Al、Mg、Fe等二价或多价金属。这些不同金属电极工作时遇到的问题有相似也有差异，因此，系统性地总结不同金属电极面临的挑战以及相应的应对策略和研究进展是非常必要的。

成果简介

近日，来自天津大学和复旦大学的研究团队在Journal of Materials Chemistry A上发表了题为“Recent advances and challenges in divalent and multivalent metal electrodes for metal-air batteries”的综述。这篇综述系统总结了金属空气电池中金属电极面临的瓶颈问题以及应对这些问题的最新研究进展。本文重点关注了Zn、Al、Mg、Fe等常见金属空气电池，从金属电极的角度比较了这几种体系的优势和短板。通过归纳腐蚀、钝化、枝晶等问题以及相应的应对策略在这些金属电极中的相似和差异，可以更好地指导未来研究。此外，由于金属电极的性能与电解质密不可分，本文对致力于通过改进电解质来提升金属电极性能的研究也进行了总结。

图文导读

图1 不同水系和非水系金属空气电池的理论质量比能量、体积比能量和标称电压

图2

 a.金属电极分类，b.电解质分类，c.水系和非水系金属空气电池中金属电极面临的典型问题，d.枝晶、形变、腐蚀、钝化等金属电极常见问题的示意图。

图3 典型非水系和水系金属空气电池的工作原理示意图

图4 采用同步辐射XRD原位表征

d.纯Zn，e.Zn-6%Bi₂O₃，f. Zn-12%Bi₂O₃和g. Zn-25%Bi₂O₃在放电过程中的变化。

图5 

a.AEI改性的锌海绵电极表面和本体的XRD图谱，b.两种锌海绵电极的成分，c.SEM形貌和EDX面扫结果，d.改性锌海绵电极在纽扣型空气电池中的充放电曲线，e.在Swagelok型空气电池中的充放电曲线

图6 

纤维型铝空气电池的a.制备方法，b-c.不同弯曲角度或拉伸比率下的放电曲线，d-e.单个或两个串联时的功率密度曲线f-g.驱动商用LED手表的图片

图7

固态镁空气电池的a.示意图，b.横截面照片，c-d.采用CS-[Ch]-[NO₃]电解质和PBS电解质时镁阳极在不同电流密度下的放电曲线，e-f.放电后的电极表面形貌图，g-h.平台电压和相应的功率密度

图8 铁空气电池（浓碱介质）中铁电极氧化层演变的示意图

图9 铁熔融空气电池的示意图和充放电曲线

图10 采用铁电极的固态氧化物氧化还原空气电池的充放电原理和充放电曲线

图11 硅电极和硅化物电极的性质以及用于空气电池时的性能曲线

总结和展望

1. 未来的研究应该同时考虑金属电极不同维度的性能，尤其应该权衡相互之间可能存在性能牺牲，例如电极的放电深度和循环寿命：必须要开发出在深度放电条件下能够多周期循环的金属电极才可以使金属空气电池比肩甚至超过锂电，实现其商业化。

2. 有关金属空气电池的反应机理尚需进一步的研究，尤其是金属电极相关的腐蚀、钝化、枝晶生长等副反应的根本机制，可以结合先进的原位分析手段加以澄清，在此基础上，可以更好地进行金属电极的成分和结构设计。

3.目前的研究中报道的金属电极的性能归一化参数尚不统一，例如在计算能量密度时采用了不同的质量，难以进行归一化和相互比较，因此，有必要针对金属电极建立标准的评价方法和评价参数，以更好地推动这一领域的发展。

文章链接

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

本文由课题组学生Marry供稿。

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