北京理工大学王克亮副教授，联合复旦大学博士研究生，最新ESM：纳米材料对锌-空气电池性能的优化

第一作者：张鹏飞

通讯作者：王克亮*

单位：北京理工大学

化石能源的枯竭和日益严重的环境恶化共同推动了新能源的研发，从而促进了新型环保可再生能源设备的出现和利用。锌-空气电池作为新型绿色电池的典型代表，以其理论比容量高、本征安全、性能稳定等独特优点被认为是一种高效的可充电能源装置。但锌枝晶、腐蚀、钝化、可逆性差、电解液稳定性弱、氧化还原反应动力学慢等因素制约了锌-空气电池的规模化推广。纳米材料由于其独特的物理和化学性质，已成为弥补锌-空气电池缺点的可行物质。纳米材料与锌-空气电池的结合研究在锌电极、电解质和空气电极双功能催化剂等领域取得了丰硕的成果。本文以锌-空气电池当前面临的挑战为出发点，结合纳米材料的典型优势，对利用纳米材料优化锌-空气电池性能的研究报道进行了系统的综述，突出了纳米材料在提高锌电极可逆性、增强电解质稳定性和强化空气电极双功能催化活性方面的显著优势。在此基础上，为纳米材料与锌-空气电池的深度融合和进一步研究奠定了基础，并对未来的发展提出了展望。

近日，北京理工大学王克亮副教授联合复旦大学博士研究生在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Performance optimization of zinc-air batteries via nanomaterials”的综述型论文。该文章分析了锌-空气电池当前的研究状况与发展挑战，结合现在多功能纳米材料的显著特性，概述了纳米材料在改善锌-空气电池性能中的实际应用，并对未来纳米材料与锌-空气电池的深入交叉融合研究提出了展望。

锌-空气电池体系中电解质性能不稳定会导致电池的容量下降以及寿命衰减，引入添加剂是增强电解质稳定性的重要研究方向。根据当前研究，纳米材料在改性电解质性能方面表现出显著效果。在电解质中加入特定的纳米添加剂可以有效缓解传统电解质离子电导率低、界面相容性差、水分耗散严重等缺点。导电纳米材料不仅可以显著提高电解质的电导率，还可以与聚合物基体实现交联，提供更丰富的离子传递通道，这对于机械强度的优化也具有重要意义。纳米材料添加剂的引入还可能具有增强电极接触界面稳定性和消除锌枝晶的作用，在实现电解质稳定的基础上优化锌-空气电池的工作效率和使用寿命。

锌-空气电池中空气电极侧缓慢的ORR和OER催化反应动力学严重阻碍了锌-空气电池的发展和应用。在双功能催化剂的合成研究中，纳米材料具有比表面积高、活性位点丰富等优点，具有加快催化反应动力学的潜力。根据纳米材料的形态和特性，纳米材料可以在催化剂合成中作为衬底和催化位点，或者两者兼顾，在本征特性和协同耦合作用机制下表现出增强的双功能催化效果。纳米材料与其他物质混合或共掺杂是提高ORR/OER活性的重要途径，有助于电催化过程中物质和离子的运输，降低电化学反应势垒，提高锌-空气电池的工作效率和循环稳定性。

克服当前锌-空气电池体系中存在的严峻挑战对于未来大规模储能具有重要意义，但传统改性策略对于锌-空气电池性能优化的程度仍然有限，因此采用高效的材料和技术才有可能取得重大突破。纳米材料以其独特的结构特征和典型的物理化学性质，为解决锌-空气电池中锌电极可逆性差、电解质性能不稳定和催化反应动力学缓慢等问题提供了可能。纳米型锌电极在提高金属锌的利用率和增强锌电极的可逆性方面具有显著的优势。未来需要不断开发具有更高可逆性的纳米型锌电极，依靠不同领域研究人员的协作与共同努力，创新实验策略，实现纳米型锌电极发展的普遍性和通用性。纳米材料添加剂在电解质中的应用有利于提高电解质的稳定性，因此深入探索纳米材料添加剂稳定电解质的作用机理是今后的重要研究方向。可以利用组分检测、微观形貌表征、结合能计算、反应动力学分析等技术，研究纳米材料稳定电解质的具体工作原理。纳米结构催化剂在加速ORR和OER催化过程动力学方面具有广阔的应用前景，今后有必要加速纳米结构空气电极的创新制备。结合当今先进的人工智能、机器学习等技术，为纳米结构空气电极的制备提供合理的设计方案。纳米材料在锌电极改性、电解质优化和双功能催化剂合成等方面的成功应用，为解决当前锌-空气电池面临的严峻挑战提供了有效策略，为改善可充电锌-空气电池的性能提供了切实可行的途径。基于纳米材料优化锌电池各组分性能的思路，为开发高能量密度、长循环寿命的可充电锌-空气电池开辟了一个有希望的方向，相关原理也能为其他类型电池的性能改进提供参考和指导。

Performance optimization of zinc-air batteries via nanomaterials

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104109

主要研究领域：长期开展关于锌/镁/铝-空气电池的研究工作，包括枝晶生长的机理分析与抑制、电解液性能优化、凝胶聚合物电解质制备、双功能催化剂的合成等。以通讯作者身份在Progress in Materials Science, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials等国际知名期刊上发表SCI论文50余篇。

张鹏飞：北京理工大学硕士研究生，复旦大学博士研究生，主要从事金属-空气电池领域的相关研究工作。以第一作者在Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Power Sources等知名TOP期刊发表多篇论文。

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