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復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作發(fā)明全新中性鋅空氣電池成果登上《科學(xué)》主刊

時(shí)間:2021-01-03 17:41來源:科技日報(bào) 作者:王春
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      近期,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系青年研究員王飛團(tuán)隊(duì)國際合作開發(fā)了一種可充電鋅空氣電池。1月1日,相關(guān)研究成果發(fā)表于國際權(quán)威雜志《科學(xué)》(Science)主刊。王飛為論文通訊作者之一。
 
      鋅空氣電池具有高理論能量密度、高安全性、低成本等優(yōu)點(diǎn),是一種具有前景的儲(chǔ)能技術(shù)。目前的鋅空氣電池主要使用高濃度堿性溶液作為電解液,存在一系列問題:金屬鋅負(fù)極在堿性電解液中化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)可逆性差,造成電池循環(huán)壽命短,鋅的有效利用率低,實(shí)際容量遠(yuǎn)低于理論容量;堿性電解液中,空氣正極的氧還原(Oxygen reduction reaction, ORR)反應(yīng)為有水分子參與的4電子反應(yīng)(H2O+O2+4e-→4OH-),其動(dòng)力學(xué)較差,需要復(fù)雜且昂貴的催化劑體系來加速此過程;堿性電解液易與空氣中的二氧化碳反應(yīng),在正極表面生成不可溶的碳酸鹽,阻塞空氣電極的反應(yīng)通道,電池?zé)o法在空氣中長時(shí)間工作。
 
      基于上述問題,王飛團(tuán)隊(duì)與美國、德國的研究團(tuán)隊(duì)合作,通過設(shè)計(jì)電解液的組成和調(diào)控電極表面雙電層,首次探索并成功先實(shí)現(xiàn)了一種全新的基于過氧化鋅(ZnO2)的可逆生成的反應(yīng)機(jī)制,并利用該反應(yīng)機(jī)制構(gòu)建了新型的非堿性鋅空氣電池。通過使用以三氟甲磺酸鋅(Zn(OTf)2)為代表的具有疏水陰離子的鋅鹽作為電解液,在空氣正極表面構(gòu)筑了鋅離子富集的特征雙電層結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)了鋅離子與氧氣反應(yīng)的2電子轉(zhuǎn)移反應(yīng),并有效抑制了水分子參與的4電子反應(yīng)。這樣一種全新的2電子轉(zhuǎn)移反應(yīng),同時(shí)有望實(shí)現(xiàn)較快的動(dòng)力學(xué),為進(jìn)一步加速空氣正極反應(yīng)的特征催化劑開發(fā)提供了新的研究平臺(tái)。
圖1. Zn(OTf)2電解液中的氧氣正極雙電層結(jié)構(gòu)和氧還原反應(yīng)機(jī)理
圖2. 使用Zn(OTf)2與ZnSO4電解液的鋅空氣電池電化學(xué)性能、反應(yīng)產(chǎn)物以及電池的空氣穩(wěn)定性
 
      為闡明這一全新的2電子轉(zhuǎn)移機(jī)理,研究團(tuán)隊(duì)利用分子動(dòng)力學(xué)模擬和密度泛函理論計(jì)算等方法解析了Zn(OTf)2電解液中的正極雙電層結(jié)構(gòu)和氧還原反應(yīng)路徑。在Zn(OTf)2電解液中,空氣正極雙電層結(jié)構(gòu)中的鋅離子與水分子的比值明顯高于ZnSO4電解液,鋅離子直接參與的2電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)更易發(fā)生。理論模擬之外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了在Zn(OTf)2電解液中正極發(fā)生2電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。材料分析方法結(jié)合電化學(xué)測試,確定了過氧化鋅(ZnO2)為正極放電產(chǎn)物。非堿性鋅空氣電池中,電解液不與空氣中的CO2發(fā)生副反應(yīng),電池在空氣中和氧氣中均表現(xiàn)出穩(wěn)定的長循環(huán)性能。
 
      與傳統(tǒng)的堿性鋅空氣電池相比,該非堿性鋅空氣電池具有明顯優(yōu)勢:鋅負(fù)極利用率高,從而大幅提高電池的能量密度,降低單位能量密度的電池成本;電池充放電反應(yīng)可逆性高,具有長循環(huán)壽命;電池可以在在空氣中穩(wěn)定的運(yùn)行,簡化了電池結(jié)構(gòu),降低電池組件的耐腐蝕性要求。
 
      該項(xiàng)突破性工作為提高鋅空電池的電化學(xué)性能、以及研發(fā)高可逆的二次金屬空氣電池提供了新的理解和研究思路,對于開發(fā)更低成本、更安全的未來儲(chǔ)能體系具有重要意義。 
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 鋅空氣電池 復(fù)旦大學(xué)
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