新加坡国立大学王庆、张航/香港理工大学倪萌Angew. Chem.：基于氧化还原靶向反应的锌空气燃料电池

第一作者：宋雨茜

通讯作者：王庆，张航，倪萌

单位：新加坡国立大学，香港理工大学

近年来，锌空气电池（ZABs）因其高能量密度、安全性和环境友好而备受关注。然而，无论是电化学可充电还是机械可充电的锌空气电池在实际应用中仍面临挑战。电化学可充电的ZABs存在诸多问题，如放电深度低、锌枝晶、析氢、死锌以及锌电极在重复反应的过程中变形、能量效率低和功率密度低等。另一方面，虽然机械可充电的ZABs的锌利用率高，但对于大型电池堆系统来说，替换锌阳极仍然十分繁琐。此外，电池的容量受到电极大小的限制。

近日，来自新加坡国立大学的王庆教授、张航博士与香港理工大学的倪萌教授合作，在国际知名期刊Angew. Chem.上发表题为“A Hybrid Redox-mediated Zinc-air Fuel Cell for Scalable and Sustained Power Generation”的研究文章。该研究文章分析了一种基于氧化还原靶向反应的锌空气燃料电池（HRM-ZAFC），它结合了传统锌空气电池和燃料电池的优点，具有可扩展和持续发电应用的巨大潜力。

相较于传统将锌放置在电极上的锌空气电池，本文将锌储存于电解液罐中。电解液中的7,8-二羟基-2-苯并噻唑磺酸（DHPS）的氧化还原电位高于锌，因此可以氧化锌金属，释放其中储存的化学能。在放电过程中，DHPS在储液罐中被还原为DHPS-2H，然后循环进入电池，在电极上再次被氧化。这种方式使得DHPS能够持续地将储能单元中锌的电子转移到发电单元电池中，实现了能量和功率的解耦，从而提高了系统在不同场景中的应用灵活性。通过根据特定应用需求调整储罐中的锌量，可以轻松调整电池的容量。

通过仿真和实验对电池的运行条件，如支持电解液、阴离子交换膜、阴离子交换离聚物、工作温度、氧气压力等进行了优化，选定了最优工作状态，从而实现了高达0.51 W/cm²的峰值功率密度。此外，在50 mA/cm²和15 mA/cm²的放电电流密度下，电池可以持续稳定运行并提供高达48.8 Ah的放电容量。

为了进一步探究DHPS和锌之间的反应机理，本文进行了X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和原位X射线吸收光谱测试（XAS）。结果表明，在放电过程中，Zn被DHPS氧化，最初形成可溶性[Zn(OH)₄]²⁻。当溶液中的[Zn(OH)₄]²⁻逐渐达到饱和时，生成Zn(OH)₂和ZnO，随着[Zn(OH)₄]²⁻的过饱和，最终产物为ZnO。

仿真结果显示，当电池在高电流密度下放电时，电极上还原态DHPS-2H的浓度不足，这会导致较大的质量传输电阻，从而降低电池性能。提高电解液流速和电解液中DHPS浓度均可以明显提高电池功率。

A Hybrid Redox-Mediated Zinc-Air Fuel Cell for Scalable and Sustained Power Generation

王庆教授简介：王庆，新加坡国立大学材料科学与工程系教授，长期从事电化学和光电化学系统中介观电荷转移、传输的基础研究，及其在新型能量转换器件和储能装置中的应用研究。提出并发展了基于氧化还原靶向反应的新型高能量密度液流电池和能量转换过程。

张航博士简介：张航博士于2023年获得新加坡国立大学博士学位，师从王庆教授。目前在王庆教授课题组从事博士后研究工作。长期从事电化学能量转换与存储的研究，比如热再生电化学循环用于低品位余热利用、液流电池用于大规模储能等。目前以第一或通讯作者（含共同）在Joule, PNAS, Nat. Commun., Adv. Mater., JACS, Angew. Chem.等期刊发表论文十余篇，并担任Nano Research Energy、Carbon Neutrality、Green Carbon等期刊的青年编委。倪萌教授简介：倪萌教授2007年于香港大学获得博士学位，2009年加入香港理工大学，目前为香港理工大学教授，建设及环境学院副院长， 德国洪堡学者，香港研究资助局（RGC）高级研究学者（Senior Research Fellow）。倪萌教授的研究主要包括高温固体氧化物燃料电池和电解池的模拟分析和新材料开发，金属-空气电池和低温余热利用。倪萌教授目前担任Energy Reviews（Elsevier）联合主编，Sustainable Energy Technologies and Assessments (Elsevier)和e-Prime (Elsevier)高级编辑，也是International Journal of Green Energy (Taylor & Francis), Energy Storage (Wiley), 及The Canadian Journal of Chemical Engineering (Wiley)的副主编。倪萌教授也是超过80本期刊的活跃审稿人，包括Science，Nature Energy，Joule等。