今日锌空电池Science:可充锌空气电池新体系

CYM 3年前 (2021-01-03) 7731浏览

【引言】
基于锌和氧反应的锌空气电池（ZABs）已经使用了一个多世纪，具有成本低率，高安全性，环保性，以及高能量密度。但这些电池一直是原电池（即不可充电的电池）。其中成功应用在在医疗和通讯，如微型助听器和无线消息收发设备等。但是可逆ZABs的关键挑战来自强碱性电解质，该电解质对活性阴极材料（环境空气）在化学上不稳定，并且在很大程度上会导致Zn金属副极发生电化学不可逆性。锌金属负极在循环过程中会产生枝晶，从而导致非均匀电沉积和持久性的腐蚀消耗电解质。为了解决这个问题，必须使用过量的Zn，从而导致其理论容量的利用不足。在阴极侧，碱性电解质与一氧化碳之间的反应在空气中产生不溶的碳酸盐，该碳酸盐不可逆地消耗电解质，并且在物理上使多孔空气阴极阻塞并化学失活。因此，复杂的电池设计使得能量密度的进一步减小。由于O₂的氧化还原反应是通过传统碱性电解质中缓慢的4电子(e^-)O-O键裂解和形成发生的，因此必须在正极上使用双功能催化剂。提高ZABs可逆性的努力集中在开发空气阴极的双功能催化剂或通过电极结构设计或电解质添加剂延长Zn负极循环寿命。

近日，德国明斯特大学Martin Winter教授，复旦大学王飞研究员，马里兰大学王春生教授和美国陆军实验室许康研究员（共同通讯作者）提出了一种Zn-O₂/(ZnO₂)化学反应，它在非碱性水系电解质中通过2e^-/O₂过程进行，这使得锌空气电池中的氧化还原反应具有高度可逆性。这种ZnO₂是由疏水三氟甲基磺酸盐阴离子引起的空气阴极上富水和锌离子(Zn²⁺)的内亥姆霍兹过渡区形成的。这样构造的非碱性锌-空气电池不仅可以耐受环境空气中的稳定运行，而且还比碱性电池具有更好的可逆性。本文研究结果表明，只要正确选择了非碱性电解质，电池就可以使用可逆性更好的双电子锌氧/过氧化锌化学物质工作。通过使电解质疏水，可以将水从阴极的近表面排除，从而防止四电子还原。这些电池还显示出更高的能量密度和更好的循环稳定性。相关研究成果以“A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry”为题发表在Science上。