ACS Energy Letters：碱性锌空气电池锌电极所面临的挑战—商业化的障碍

Alisa 5年前 (2019-10-21) 5995浏览

【引言】

可持续能源技术的发展是实现经济持续增长、构建和谐社会的重大挑战。近来，金属空气电池作为一种环保能源技术，由于其理论能量密度远高于锂离子电池，有望成为下一代电化学储能电池。在各种金属空气电池技术中，锌空气电池因其能量密度高、成本低、安全环保等优点而具有广阔的发展前景。锌空气电池的阴极活性物质是来自大气中的氧，它是取之不尽的。一次锌空气电池目前已上市，并已成功地应用于低电流电器设备中，如助听器。开发可充电的锌空气电池，在过去的十年中，研究人员已经探索了一些低成本、高容量的正极和负极材料，用于开发可充电的锌空气电池。二次锌空气电池已经在储能设备和电动汽车上得到了初步应用，但到目前为止，二次锌空气电池在大规模商业化进程上仍有很大的改进空间。

【成果介绍】

近日，天津大学博士生赵泽泉总结了限制可充电锌空气电池中锌阳极存在的问题，并结合当前的相关学术研究，指明了锌空气电池阳极未来的发展方向。该工作通过分析锌电极在电池使用过程中所存在的钝化、枝晶生长和析氢腐蚀反应等关键问题对可充电锌空气电池的充放电性能，在现有研究的基础上展望了克服锌负极问题的关键途径，为未来二次锌空气电池的商业应用打下基础。该研究成果以“Challenges in Zinc Electrodes for Alkaline Zinc–Air Batteries: Obstacles to Commercialization”为题发表在期刊ACS Energy Letters上。

【图文导读】

图1

（a）锌金属阳极放电过程中钝化层形成示意图：充电后的钝化层不完全可逆，充电后仅剩一薄层ZnO。（b）在放电电流密度为25 mA cm–2时，电解液循环速率为150 mL min–1的电池的恒流放电曲线图。

图2

（a）锌金属阳极放电过程中钝化层形成示意图。（b）ZnO的比容量和库仑效率（1.03 mg）， ZnO@ c （0.94 mg）。（c）经过三次循环的裸ZnO阳极和ZnO@ c阳极的SEM图像。

图3

（a）利用纤维-扫描电镜断层扫描得到的单个锌枝晶的三维图像。（b）不同有机添加剂锌电极1000循环后的SEM显微照片。（c）锌阳极经过20循环用于无机添加剂。（d）Zn阳极与PANa电解质之间的准SEI形成示意图。

图4

（a）60℃时，锌凝胶阳极表面析出氢气体积测量。（b）涂覆Al2O3的锌粒子的透射电镜图像。（c）PANI@Zn在环境温度下24小时的放电曲线。

【小结】

本文综述了可充电碱性锌空气电池用锌电极的发展和最新趋势，讨论了可充电锌空气电池常见阳极失效的主要研究进展。尽管研究已经取得了诸多学术成就,但挑战仍然存在。例如，目前缺乏同时解决所有阳极问题的统一方法、对电极失效机制的认识不足、缺乏统一的电池电化学性能评价标准。因此，除了在电极设计、隔膜、电解液、充放电制度等方面进行研究外，今后还需要在以下几个方面进行努力:

（1）未来的研究需要同时涵盖多个阳极失效问题。在电池的放电和充电过程中，锌电极钝化、枝晶生长和析氢反应是同时存在的，未来研究考虑到所有失效问题。例如，对纳米阳极粒子的空间约束就是一个很好的例子：纳米粒子核可以克服钝化，而包覆的离子筛分纳米壳可以通过减缓锌离子的迁移而保持阳极形貌。此外，由于金属锌在充电过程中不能沉积在其他位置，锌被限制在特定的空间中可以防止电极的变形。然而，离子筛分纳米壳并不能阻止HER反应的发生，因为电极和电解液之间的相互作用仍然存在。为了阻止HER的发生，合成的外壳可以需要阻止锌颗粒直接与碱性电解质相互作用，但与此同时容量也被降低，这与钝化研究所追求的提高容量的目的又产生了矛盾。因此，接下来的研究需要注意，缓蚀剂对锌表面活性位点的过度阻滞。

（2）研究人员需要注意对电极的改性是否会对电池的其他性能造成负面影响。例如，由于较大比例的非活性添加剂可能会增加电极的质量和体积，因此，引入电极添加剂对能量密度的影响需要关注。同样，除了提高电池的循环性能，研究人员还需要注意添加剂和改性电极的引入是否会对电池的阻抗和功率密度等其他性能产生负面影响。

（3）锌电极在碱性条件下的钝化机理研究有待加强。未来的研究可以通过实时监测锌电极在充放电过程中的结构来揭示钝化机理。特别是锌电极的不同形貌和结构可能具有不同的主导机制。该方法的优点是可以制备出比纳米锌电极更容易钝化的不同晶粒的电极态。

（4）应解决因电池结构设计或物理因素造成的阳极问题。目前几乎没有一项研究考虑到与改性电解质或阳极配对的电池结构设计来接近商用电池。

（5）大气成分与锌阳极问题之间的关系应得到重视。除钝化、枝晶和析氢反应等常见问题外，锌阳极还可能受到空气成分的影响。

文章链接：

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

本文由天津大学博士生赵泽泉供稿。

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