Advanced Materials：一种超快空气自充电锌电池

一、【导读】

可充电电池通常需要外部电源进行充电，但在恶劣或偏远环境中可能无法实现充电和重复使用。为解决这一问题，人们已经致力于设计自充电电力系统，能够将太阳能、热能、机械能或化学能转化为电能并同时储存。其中，化学自充电系统因对环境依赖较低而备受关注。在这方面，空气自充电水性锌电池得到了显著的发展，通过氧气的化学能进行电能转化和储存，即使在无氧环境下也能运行。然而，由于反应动力学限制和氧气的氧化还原电位问题，其充电速率和容量表现有限。为改进这一问题，引入氧还原反应催化剂可显著提高自充电锌电池的性能，特别是在阴极结构方面，使用贵金属纳米颗粒等催化剂，并采用多孔导电网络和无粘合剂的阴极结构有助于提高性能。

二、【成果掠影】

近日，南开大学化学学院先进能源材料化学教育部重点实验室牛志强课题组通过构建PANI@Pt/C复合阴极，设计了一种超快速的空气自充电水性锌电池。引入Pt/C催化剂赋予PANI与氧气之间的氧化还原反应快速的反应动力学和扩展的氧化还原电位差。因此，Zn/PANI@Pt/C电池的自充电速率得到有效加速，它们可以自充电至完全充电状态。此外，PANI在放电过程中可以同时通过氧气进行充电，以弥补消耗的电能，实现了能源供应的延长。此外，由于其出色的机械性能，PANI@Pt/C阴极可以直接用作柔性自充电锌电池的阴极。作为概念验证，还制造了柔性软包装的Zn/PANI@Pt/C电池，并在不同弯曲状态下展现了稳定的电化学性能和自充电能力。这项工作提供了一种设计超快速化学自充电能量存储设备的途径，并拓宽了柔性能源存储设备的应用领域。相关成果以“An Ultrafast Air Self-Charging Zinc Battery”发表在Advanced Materials上。

三、【核心创新点】

该研究创新性地设计了PANI@Pt/C复合阴极，实现了超快速的自充电水性锌电池，同时具备卓越的柔性性能。

四、【数据概览】

图1. Zn/PANI@Pt/C电池和Zn/PANI电池的空气自充电机制示意图。© 1999-2023 John Wiley & Sons

图2. © 1999-2023 John Wiley & Sons

a) PANI@Pt/C的优化结构和PANI与Pt/C之间计算的相互作用能。

b) PANI@Pt/C的变形电荷密度。

c) PANI中C的部分态密度。

d) Pt的部分态密度。

e) PANI、PANI@Pt/C和O₂的优化结构和计算的前线分子轨道能级。

f) PANI和PANI@Pt/C复合材料的ORR极化曲线。

图3. Zn/PANI@Pt/C和Zn/PANI电池的化学充电/恒流放电行为。© 1999-2023 John Wiley & Sons

a) 原位空气自充电曲线。

b) 电池的放电容量。

c) 空气自充电时间的比较。

d) 不同空气自充电时间后，在O₂或Ar气氛中的锌电池的恒流放电容量。

e) 锌电池的重复化学充电/恒流放电循环。

f) Zn/PANI@Pt/C电池的倍率性能。

g) 当电解质引入空气流和不引入空气流时，Zn/PANI@Pt/C电池的化学充电/恒流放电曲线。

图4. PANI在空气自充电过程中的结构演变。© 1999-2023 John Wiley & Sons

a) 自充电过程中PANI结构演变的示意图。

b) 9小时后Zn/PANI@Pt/C电池和Zn/PANI电池的空气自充电曲线。

c) 傅里叶变换红外光谱。

d) 拉曼光谱。

e) 在还原、半氧化和氧化状态下，PANI总氮元素中各种氮物种的计算含量。

f) 不同自充电状态下PANI@Pt/C和PANI的X射线光电子能谱。

图5. 柔性包装的Zn/PANI@Pt/C电池的空气自充电行为© 1999-2023 John Wiley & Sons

a) 0.5 mV s⁻¹的CV曲线。

b) 在2 A g⁻¹下弯曲1000次的柔性包装Zn/PANI@Pt/C电池的循环性能。

c) 在不同弯曲状态下柔性包装的Zn/PANI@Pt/C电池的重复化学充电/恒流放电循环。

d) 智能夹克的示意图和具有两种供电模式的电路图。

e) 夹克的光学图像，

f) 由智能夹克的Mode 1供电的血氧仪，

g) 由夹克的Mode 2供电的智能手机的光学图像。

五、【成果启示】

总之， 本研究通过在阴极引入Pt/C催化剂，开发了超快速的空气自充电水性锌电池。借助Pt/C催化，PANI与氧气之间的自发氧化还原反应具有增强的反应动力学和扩展的氧化还原电位差。因此，用尽的电池可以快速氧化到完全充电状态。Zn/PANI@Pt/C电池在0.1 A g⁻¹下具有1.28 V的开路电压和261.7 mA h g⁻¹的放电容量。相比之下，Zn/PANI电池只能自充电到半充电状态，放电容量为61.1 mAh g⁻¹，且不如前者。此外，PANI在放电过程中可以与氧气同时充电，以弥补消耗的电能，为电池提供了额外的大容量。此外，PANI@Pt/C阴极还具有出色的机械性能，因此可以直接用作柔性自充电锌电池的阴极。作为概念验证，制备了柔性软包装的Zn/PANI@Pt/C电池，并在不同弯曲状态下展现了稳定的电化学性能和自充电能力。这项工作提供了一种有望设计超快速的空气自充电能量存储设备的策略，并为可穿戴电子系统的进步做出了贡献。

原文详情：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