昆明学院胡素娟教授， Composites Part B; 可充电锌空气电池的光辅助去耦阴极：实现高能量密度和宽温度适应性

第一作者：何胜林

通讯作者：胡素娟

单位：昆明学院

随着能源需求的日益增长和环境问题的日益严峻，开发新型、高效的能源存储系统变得尤为重要。可充电锌空气电池（RZABs）因其高理论能量密度、低成本、环境友好性以及安全性备受关注。然而，传统的双电极RZABs在空气阴极催化剂上面临着挑战，即氧还原（ORR）和氧生成（OER）对催化剂的要求相互矛盾，导致在高电流密度和极端条件下性能不佳。ORR需要相对疏水的催化剂表面以确保气体有效扩散并防止活性位点堵塞，而OER则需要高度亲水的表面以加快气液固界面处氧气气泡的释放。此外，ORR和OER在工作电位上存在显著差异，ORR在较低电位下进行，而OER在较高电位下进行。这些挑战限制了RZABs在实际应用中的放电容量、寿命和能量密度。为了克服这些限制，研究人员开发了解耦策略和引入光场辅助ORR和OER过程。光辅助策略通过降低这些反应的活化能，加速了ORR和OER的动力学，并减少了过电位，解决了RZABs在高电流条件下性能欠佳的困境。这些努力为提高RZABs的性能提供了新的方向，尤其是在高电流条件下和宽温度范围内的应用。

基于此，昆明学院胡素娟课题组在国际期刊Composites Part B上发表的题为“Decoupled cathode with light assistance for rechargeable zinc-air batteries: Achieving high energy density and wide temperature adaptability”的研究论文。该研究通过解耦策略使每个阴极都能在最佳条件下运行，并允许在高电流密度下高效工作，同时在宽温度范围内保持出色的性能。光的引入显著加速了阴极反应动力学，显著提高了RZABs的整体性能。因此，该系统展示了1021.42 mWh g^-1的高能量密度和在5 mA cm^-2的电流密度下卓越的循环稳定性和寿命（1064小时循环寿命和1596个循环，放电电位1.26 V，充电电位2.12 V，往返效率59.4%）。基于此，研究人员还开发了一种解耦的柔性可充电锌空气电池（FRZAB），在光照下显示出良好的性能。更重要的是，它在极端和恶劣环境下展现出良好的适应性和稳定性。该系统在光照下展示了多种应用场景：一个光辅助FRZAB可以为玩具车供电，四个光辅助FRZABs串联可以为智能手机充电。这种独立阴极和光辅助的结合为提高FRZABs的性能提供了新的方向。

传统双电极RZABs的一个主要障碍是空气阴极中存在一种双功能催化剂，旨在同时催化ORR和OER反应，但这两个反应的操作要求相互冲突。ORR需要相对疏水的催化剂表面，以确保有效的气体扩散并防止活性位点的堵塞，而OER则需要高度亲水的表面，以增强气-液-固界面的反应并加速氧气气泡的释放。此外，ORR和OER的操作电位存在显著差异。ORR发生在相对较低的电位下，而OER则发生在更高的电位下。在这些高电位下，催化剂的结构和化学性质可能会发生变化，这会影响它们在大电流放电中对ORR的活性。因此，经过几百到数千次循环后，这种影响逐渐加剧，导致RZABs的性能迅速下降。作者采用解耦阴极策略构建三电极（两个阴极和一个阳极）使每个阴极都能在最佳条件下运行，并允许在高电流操作下高效运行，同时在宽温度范围内保持出色的性能。

图1.（a）RZABs的工作原理；（b）RZABs阴极中双功能催化剂面临的主要挑战，以及光辅助解耦阴极的设计和优势。

图2. （a）pTTh和（g）Fe₂O₃的制备流程图；（b）pTTh和（h）Fe₂O₃的扫描电子显微镜（SEM）图像；（c）pTTh和（i）Fe₂O₃在有光照和无光照条件下的光电流响应；pTTh中（d）C和（e）S的元素映射；Fe₂O₃中（j）Fe和（k）O的元素映射；（f）pTTh和（l）Fe₂O₃的紫外-可见DRS光谱。

图3. 测量（a和b）pTTh和（c和d）Fe₂O₃的接触角；基于pTTh|Zn||Fe₂O₃ RZABs在（e）不同放电时间的去耦pTTh阴极和在（f）不同充电时间的去耦Fe₂O₃阴极的电极表面的数字图像；（g） pTTh电极的CV测试；（h） pTTh及其氧化态的红外；（i） pTTh中C 1s及其氧化态的XPS；（j） pTTh及其氧化态的EIS；（k）pTTh和（l）其氧化态的SEM。

要点二：光辅助解耦阴极的设计提升双阴极RZABs的性能

在光场作用下，pTTh的电催化活性得到提高，与无光条件相比，ORR起始电位提高了0.12 V，半波电位提高了0.18 V，这表明pTTh在光照下表现出更快的ORR动力学，使电子转移过程更加高效。此外，在光场作用下，Fe₂O₃在光照和黑暗条件下的E10分别为1.49 V和1.67 V （RHE），光照显著降低了过电位（ΔE10 = 180 mV vs. RHE）。

电池性能测试表明，光照下RZABs的充放电性能和功率密度均得到有效提升，光的引入显著加快了阴极反应动力学，显著提高了RZABs的整体性能。因此，该系统展示了1021.42 mWh g^-1的高能量密度和在5 mA cm^-2的电流密度下卓越的循环稳定性和寿命（1064小时循环寿命和1596个循环，放电电位1.26 V，充电电位2.12 V，往返效率59.4%）。为了拓展应用场景，开发了一种解耦的柔性可充电锌空气电池（FRZABs），在5 mA cm^-2的大电流下，光照显示出良好的性能，FRZABs在光照下表现出272次充放电循环，181 h的循环寿命和 56.5% 的往返效率。

图4. （a） 基于光辅助pTTh|Zn||Fe₂O₃的RZABs示意图；pTTh无光照（b和c）和有光照（d和e）的LSV和Tafel斜率；（f）Fe₂O₃的 LSV和（g）有无光照时Fe₂O₃Tafel斜率。

图5. （a）光辅助双阴极RZABs（pTTh|Zn||Fe₂O₃）的结构图；RZABs分别在（b）5和（c）0.1 mA cm⁻²下，有无光照的充放电循环曲线；（d） RZABs在0.05–10–0.05 mA cm⁻²的电流密度下，有无光照时的充放电曲线；RZABs在5mA cm^-2下，（e）光照和（g）无光照的比容量和放电时间；有无光照时RZABs的放电极化和功率密度曲线。

图6. FRZABs的结构图；在（b）0.1和（c）5 mA cm⁻²时FRZABs在有无光照下的充放电循环曲线；（d） FRZABs在0.05–10–0.05 mA cm^-2下的充放电曲线；FRZABs在（e）不同弯曲角度和（F）不同曲率下的充放电循环曲线；（g） FRZABs在有无光照条件下的放电极化和功率密度曲线；FRZABs在5mA cm^-2时（h）有光照和（i）无光照的比容量和放电时间。

要点三：锌空气电池在恶劣条件下的实用性

解耦的柔性可充电锌空气电池（FRZAB），在光照下显示出良好的性能且能够在宽温域以及恶劣天气下运行。组装的FRZABs能够在-25至60 °C温度范围内稳定充放电循环300h以上。在宽温度范围内，该系统在光照下展示了多种应用场景：一个光辅助FRZAB可以为玩具车供电，四个光辅助FRZABs串联可以为智能手机充电。

图7. （a）FRZABs在宽温度下工作的示意图；（b） 不同温度下FRZABs的充放电循环曲线；（c） FRZABs在不同温度下和有无光照的充放电曲线；（d） FRZABs在不同温度下和有无光照的恒流放电（0.1 mA cm⁻²）；FRZABs在不同温度下和（e）有光照和（f）无光照的功率密度曲线；（g） FRZABs完全浸入水中的放电曲线(0.1 mA cm^-2)；（h） 四个FRZABs串联，在光照下为智能手机供电。

Decoupled cathode with light assistance for rechargeable zinc-air batteries: Achieving high energy density and wide temperature adaptability

胡素娟教授简介：昆明学院教授/硕士生导师，化学化工学院副院长，云南省高校有机光电子材料与器件重点实验室副主任，云南省“兴滇英才支持计划”青年人才。昆明学院绿色能量转换与存储团队带头人；云南省科技专家，担任中科院一区《Rare Metal》期刊青年编委等，并兼任多个期刊的审稿人。主持国家自然科学基金项目2项，省部级项目6项。在Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal等中科院一区期刊上发表论文30余篇，编著书籍1部，申请授权国家发明专利2件。获云南省自然科学三等奖1项。

何胜林，昆明学院化学化工学院2023级硕士研究生，研究方向为锌空气电池的性能与应用。