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可以反复充电放电的Zn-空气电池

已有 883 次阅读 2021-1-6 21:44 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

可以反复充电放电的Zn-空气电池

诸平

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锌(Zn)-空气电池通常是一次性的。但是,新设计可能会改变这一点,以实现Zn-空气电池的反复多次充电放电,如果置换出电解液则可以帮助这些能源密集型电源持续更长的时间。

锌空气电池通常无法充电。但是,研究人员现在已经使用新材料制造了其中一种可以充电数百次的设备即锌(Zn)-空气电池

据《科学新闻》(Science News)2021年1月5日提供的消息,Zn-空气电池有很多用途。它们重量轻,结构紧凑,并且比其他电池使用更可持续,更不易燃的材料制成。但是它们通常是不可充电的。新的电池设计可能会改变这一点。通过调整构建材料,研究人员创建了锌-空气电池的原型,该电池可以充电数百次。相关研究结果于2021年1月1日在《科学》(Science)杂志描述了这种持久耐用的设备,有一天可以为电动汽车或其他电子设备供电。详见W. Sun et al. A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry. Science. Vol. 371, January 1, 2021, p. 46. doi: 10.1126/science.abb9554.

锌-空气电池是许多潜在的下一代电池之一,它们可以容纳更多的能量,同时比现有设备便宜和更安全。每个锌-空气电池单元都包含两个电极-锌阳极和多孔阴极-被称为电解质的液体隔开。在标准的锌-空气电池中,电解质是一种高pH值物质,含有诸如氢氧化钾之类的成分。空气中的氧气进入阴极,在此气体与电解质中的水反应形成氢氧化物。在阴极表面形成的氢氧化物会流向阳极,并与锌反应释放能量,从而为其他设备提供动力。

“问题是,这种反应不是非常可逆的,”德国明斯特大学(University of Münster in Germany)的材料科学家孙伟(Wei Sun音译)表示,这样就很难为电池充电。常规锌-空气电池中的苛性电解质还会使阴极和阳极降解。为了解决这些问题,孙伟和他的同事使用一种新的电解质制成了锌-空气电池,该电解质含有憎水离子。这些离子粘附在阴极上,从而阻止了电解液中的H2O与阴极表面上的氧气反应。结果,来自阳极的锌离子可以传播到阴极并直接与空气中的氧气反应。这种相对简单的反应很容易向后运行(逆向反应)以给电池充电。

更重要的是,新的电解质不会使电池的电极退化,这有助于使电池寿命更长。在实验室实验中,孙伟及其同事能够在160个小时内对新的锌-空气电池单元进行320次放电和充电。更多信息请注意浏览原文。

When two is better than four

Batteries based on the reaction of zinc and oxygen have been used for more than a century, but these have been primary (that is, nonrechargeable) cells. These batteries use an alkaline electrolyte and require a four-electron reduction of oxygen to water, which is a slow process. Sun et al. show that with the right choice of nonalkaline electrolyte, the battery can operate using a two-electron zinc-oxygen/zinc peroxide chemistry that is far more reversible. By making the electrolyte hydrophobic, water is excluded from the near surface of the cathode, thus preventing the four-electron reduction. These batteries also show higher energy density and better cycling stability.

Science, this issue p. 46

Abstract

Rechargeable alkaline zinc-air batteries promise high energy density and safety but suffer from the sluggish 4 electron (e)/oxygen (O2) chemistry that requires participation of water and from the electrochemical irreversibility originating from parasitic reactions caused by caustic electrolytes and atmospheric carbon dioxide. Here, we report a zinc-O2/zinc peroxide (ZnO2) chemistry that proceeds through a 2e/O2 process in nonalkaline aqueous electrolytes, which enables highly reversible redox reactions in zinc-air batteries. This ZnO2 chemistry was made possible by a water-poor and zinc ion (Zn2+)–rich inner Helmholtz layer on the air cathode caused by the hydrophobic trifluoromethanesulfonate anions. The nonalkaline zinc-air battery thus constructed not only tolerates stable operations in ambient air but also exhibits substantially better reversibility than its alkaline counterpart.



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