胡素娟教授，昆明学院，J. Energy Chem：具多级微通道耐腐蚀阳极的柔性Sn-air电池，适用于高稳定性与宽温度范围应用

第一作者：王俊杰

通讯作者：胡素娟*

单位：昆明学院

便携式与可穿戴电子设备的快速发展推动了对安全性高、成本效益好且可靠的储能解决方案的需求。在现有候选技术中（如锌空气电池、锂氧电池等），金属锡作为负极材料展现出诸多优势，包括高理论比容量、低成本、无毒性以及优异的生物相容性。值得注意的是，锡在不同晶面间具有较小的表面能差异，这使得在电镀过程中能够实现各向同性沉积，有效抑制枝晶的形成。尽管如此，在高电流密度/高容量条件下实现长期稳定的锡负极，仍是可充电锡空气电池面临的一大挑战。锡在沉积/剥离过程中热力学稳定性差，且“死锡”的不可控生成会导致库仑效率（CE）低下及循环性能不佳。此外，柔性负极结构设计的难度也进一步限制了其实用化进程。尽管锡空气电池已逐渐引起研究关注，但其发展仍处于初级阶段。现有研究主要集中在通过亚锡离子电化学开发高能量锡基水系电池，以及利用光辅助催化电极提升氧还原与析氧反应性能以改善锡空气电池性能。然而，关于在锡空气电池中构建低腐蚀性、高可逆性且具柔性特征的锡负极的研究仍较为罕见。

基于此，昆明学院胡素娟课题组在国际期刊Journal of Energy Chemistry上发表的题为“Flexible Sn-Air batteries with multilevel microchannel corrosion-resistant anodes for stability and wide-temperature applications”的研究论文。本研究针对可穿戴和便携式电子设备对安全、低成本、高可靠性储能技术的需求，提出了一种具有多级微通道结构的柔性耐腐蚀Sn负极（Cu-PVDF@Sn），通过将亲锡铜网与PVDF涂层结合，构建具良好导电性、柔性和抗氢腐蚀能力的人工保护层。该设计有效调控SnO₂²⁻的沉积/剥离行为，抑制“死锡”生成和枝晶生长，同时提升界面稳定性与循环性能。制得的水系Sn空气电池能量密度高达474 Wh kg^-1，峰值功率密度达51 mW cm^-2，在-15至60 °C宽温范围内表现出优异稳定性和柔性，展示出在柔性电子设备中广阔的应用前景。

图1. 金属空气电池的性能比较及锡空气电池的应用示意图。

本研究采用旋涂法制备了Cu-PVDF@Sn柔性负极，通过将PVDF与锡粉混合于NMP溶液形成浆料，旋涂于铜网表面并在60 °C下干燥2小时制得。XRD结果确认材料中存在Sn、Cu及PVDF的特征晶面，SEM图显示该负极具多级微通道结构，有利于锡的均匀沉积。接触角测试表明Cu-PVDF@Sn具更强疏水性，可有效抑制水引发的析氢腐蚀。FTIR和XPS进一步证实PVDF中富含–CF₂–极性基团，有助于离子扩散并排斥H₂O，增强界面稳定性。综上，表征结果证明该柔性负极成功构建了具有疏水性和耐腐蚀性的多级微通道结构，有望显著提升锡空气电池的循环稳定性。

图2. 阳极的形貌及结构表征

要点二：Cu-PVDF@Sn阳极的可逆性和稳定性研究

本研究通过Tafel曲线、LSV和气相色谱等电化学方法系统评估了Cu-PVDF@Sn人工保护层对Sn负极电化学性能的提升。结果显示，该电极具有更高的腐蚀电位和更低的析氢电流，显著抑制了水引发的腐蚀和氢气生成。其多级微通道结构有效调控SnO₂^2-的扩散行为，加快2D向3D扩散的转变过程，有助于形成致密均匀的锡沉积，并显著降低沉积过程中的反应活化能和成核过电位。对称电池测试显示，Cu-PVDF@Sn负极在5 mA cm^-2下可稳定循环超过800小时，且具有良好的倍率性能和抗短路能力。在1200次循环后，其库仑效率高达92.61%，远优于其他对比电极。上述结果表明，该结构不仅显著改善了Sn的沉积/剥离可逆性，还有效避免“死锡”生成，提升负极利用率与电池寿命。

图3. 阳极的电化学性能。

图4. Cu-PVDF@Sn和锡箔电极的原位表征和理论计算

要点三：基于 Cu-PVDF@Sn 负极的锡空气电池的性能及应用研究

本研究构建了以Cu-PVDF@Sn为负极、Pt/C+RuO₂为正极、6 M KOH体系为电解液的水系锡空气电池，开路电压达1.15 V，在5 mA cm^-2下表现出0.8 V的稳定放电电压和474 Wh kg^-1的能量密度，循环寿命超过750小时。为满足柔性电子需求，进一步开发了以PAAK-M凝胶为电解质的柔性锡空气电池，具备高达504 Wh/kg的能量密度、80 mW cm^-2的峰值功率密度，且在多角度弯折下仍保持稳定工作。实际演示中，该柔性电池可驱动风扇、LED灯带，甚至为手机充电，展现出其在可穿戴和便携设备中的广阔应用前景。

图5. 水系锡空气电池的性能

图6. 柔性锡空气电池的性能

要点四：锡空气电池恶劣条件下的实用性

为满足极端气候下便携设备的供电需求，研究评估了柔性Sn空气电池在−15至60 °C宽温条件下的性能。结果显示，该电池在低温下依然具备良好放电电压（−15 °C为0.85 V），高温下峰值功率密度达85 mW cm^-2，循环寿命可达120小时，且在冰水、液氮及高温环境中均能稳定工作。此外，该电池在冬夜、春夜、夏夜和秋夜等多种气候情景下均能稳定点亮LED灯，展现出优异的环境适应性。其高能量密度、高功率密度与循环稳定性归因于：PVDF提高了腐蚀电位，降低副反应；Cu与Sn间强结合能提升了界面电荷转移效率；多级微通道结构促进了均匀沉积/剥离，防止“死锡”形成；同时，Cu网与PVDF的柔韧性赋予电极良好的机械适应性，适用于柔性可穿戴储能场景。

图7. 柔性锡空气电池在极端条件下的应用。

Flexible Sn-Air batteries with multilevel microchannel corrosion-resistant anodes for stability and wide-temperature applications

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，云南省金属有机分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，云南省科技专家。科研方向为硅/锗/锌/锡基空气电池和燃料电池等。近五年，主持国家自然科学基金项目2项，省部级项目6项，获云南省自然科学三等奖1项，以第一/通讯作者身份在Energy Storage Mater.、Coordin. Chem. Rev.、Carbon Energy、Chem. Eng. J.、Chin. Chem. Lett.等高水平中科院一区期刊上发表论文30余篇，编著书籍1部，授权国家发明专利2件，担任中科院一区《Rare Metals》期刊杰出青年编委。获校本科一流课程立项1门，指导本科生和研究生获国家级/省级科研项目立项共计10项，指导本科生和研究生竞赛获一等奖等共计5项。

王俊杰，昆明学院物理科学与技术学院2023级硕士研究生，研究方向为锡空气电池的性能与应用。