近期，復旦大學材料科學系青年研究員王飛團隊國際合作開發(fā)了一種可充電鋅空氣電池。1月1日，相關研究成果發(fā)表于國際權威雜志《科學》（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，是一種具有前景的儲能技術。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：金屬鋅負極在堿性電解液中化學穩(wěn)定性和電化學可逆性差，造成電池循環(huán)壽命短，鋅的有效利用率低，實際容量遠低于理論容量；堿性電解液中，空氣正極的氧還原（Oxygen reduction reaction, ORR）反應為有水分子參與的4電子反應（H2O+O2+4e-→4OH-），其動力學較差，需要復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，在正極表面生成不可溶的碳酸鹽，阻塞空氣電極的反應通道，電池無法在空氣中長時間工作。

 

      基于上述問題，王飛團隊與美國、德國的研究團隊合作，通過設計電解液的組成和調控電極表面雙電層，首次探索并成功先實現(xiàn)了一種全新的基于過氧化鋅（ZnO2）的可逆生成的反應機制，并利用該反應機制構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，在空氣正極表面構筑了鋅離子富集的特征雙電層結構，從而實現(xiàn)了鋅離子與氧氣反應的2電子轉移反應，并有效抑制了水分子參與的4電子反應。這樣一種全新的2電子轉移反應，同時有望實現(xiàn)較快的動力學，為進一步加速空氣正極反應的特征催化劑開發(fā)提供了新的研究平臺。

圖1. Zn(OTf)2電解液中的氧氣正極雙電層結構和氧還原反應機理

圖2. 使用Zn(OTf)2與ZnSO4電解液的鋅空氣電池電化學性能、反應產物以及電池的空氣穩(wěn)定性

 

      為闡明這一全新的2電子轉移機理，研究團隊利用分子動力學模擬和密度泛函理論計算等方法解析了Zn(OTf)2電解液中的正極雙電層結構和氧還原反應路徑。在Zn(OTf)2電解液中，空氣正極雙電層結構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電子轉移反應更易發(fā)生。理論模擬之外，實驗結果也證實了在Zn(OTf)2電解液中正極發(fā)生2電子轉移反應。材料分析方法結合電化學測試，確定了過氧化鋅（ZnO2）為正極放電產物。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，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)定的運行，簡化了電池結構，降低電池組件的耐腐蝕性要求。

 

      該項突破性工作為提高鋅空電池的電化學性能、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、更安全的未來儲能體系具有重要意義。