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复旦大学材料科学系王飞团队国际合作发明全新中性锌空气电池 成果登上《科学》主刊

来源: 中国日报网
2021-01-03 15:34 
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近期,复旦大学材料科学系青年研究员王飞团队国际合作开发了一种可充电锌空气电池。1月1日,相关研究成果以《基于过氧化锌反应的可充锌空气电池》(“A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry”)为题发表于《科学》(Science)主刊。王飞为论文通讯作者之一。

锌空气电池具有高理论能量密度、高安全性、低成本等优点,是一种具有前景的储能技术。目前的锌空气电池主要使用高浓度碱性溶液作为电解液,存在一系列问题:金属锌负极在碱性电解液中化学稳定性和电化学可逆性差,造成电池循环寿命短,锌的有效利用率低,实际容量远低于理论容量;碱性电解液中,空气正极的氧还原(Oxygen reduction reaction, ORR)反应为有水分子参与的4电子反应(H2O+O2+4e-→4OH-),其动力学较差,需要复杂且昂贵的催化剂体系来加速此过程;碱性电解液易与空气中的二氧化碳反应,在正极表面生成不可溶的碳酸盐,阻塞空气电极的反应通道,电池无法在空气中长时间工作。

基于上述问题,王飞团队与美国、德国的研究团队合作,通过设计电解液的组成和调控电极表面双电层,首次探索并成功先实现了一种全新的基于过氧化锌(ZnO2)的可逆生成的反应机制,并利用该反应机制构建了新型的非碱性锌空气电池。通过使用以三氟甲磺酸锌(Zn(OTf)2)为代表的具有疏水阴离子的锌盐作为电解液,在空气正极表面构筑了锌离子富集的特征双电层结构,从而实现了锌离子与氧气反应的2电子转移反应,并有效抑制了水分子参与的4电子反应。这样一种全新的2电子转移反应,同时有望实现较快的动力学,为进一步加速空气正极反应的特征催化剂开发提供了新的研究平台。

图1. Zn(OTf)2电解液中的氧气正极双电层结构和氧还原反应机理

图2. 使用Zn(OTf)2与ZnSO4电解液的锌空气电池电化学性能、反应产物以及电池的空气稳定性

为阐明这一全新的2电子转移机理,研究团队利用分子动力学模拟和密度泛函理论计算等方法解析了Zn(OTf)2电解液中的正极双电层结构和氧还原反应路径(图1)。在Zn(OTf)2电解液中,空气正极双电层结构中的锌离子与水分子的比值明显高于ZnSO4电解液,锌离子直接参与的2电子转移反应更易发生。理论模拟之外,实验结果也证实了在Zn(OTf)2电解液中正极发生2电子转移反应(图2)。材料分析方法结合电化学测试,确定了过氧化锌(ZnO2)为正极放电产物。非碱性锌空气电池中,电解液不与空气中的CO2发生副反应,电池在空气中和氧气中均表现出稳定的长循环性能。

与传统的碱性锌空气电池相比,该非碱性锌空气电池具有明显优势:锌负极利用率高,从而大幅提高电池的能量密度,降低单位能量密度的电池成本;电池充放电反应可逆性高,具有长循环寿命;电池可以在在空气中稳定的运行,简化了电池结构,降低电池组件的耐腐蚀性要求。

该项突破性工作为提高锌空电池的电化学性能、以及研发高可逆的二次金属空气电池提供了新的理解和研究思路,对于开发更低成本、更安全的未来储能体系具有重要意义。

(中国日报上海分社)

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