中科大谈鹏团队EnSM: ePTFE膜“气泡二极管”助力高性能锌空气电池快充

第一作者：何义

通讯作者：谈鹏

单位：中国科学技术大学

锌空气电池因为其高理论能量密度、高安全性、低成本等优点被认为是一种极具前景的储能器件。作为一种燃料电池，锌空气电池充电过程类似于电解水反应面临严重的气泡析出问题。正极氧析出反应产生的气泡附着于电极表面，导致反应活性位点失效、电解液中离子传输受阻、电解液挤出泄露等严重危害。虽然已有大量工作致力于开发高活性的非贵金属双功能催化剂，但对于电极中的气泡行为及传输机理却始终缺乏完整的理论以及解决方案。

基于此，中国科学技术大学谈鹏课题组在国际能源材料领域知名期刊Energy Storage Materials上发表了题为“Boosting gaseous oxygen transport in a Zn-air battery for high-rate charging by a bubble diode-inspired air electrode”的文章。博士研究生何义为第一作者。该工作采用“气泡二极管”的策略促进锌空气电池快充过程中氧气的及时排出。以膨体聚四氟乙烯膜（ePTFE）基体作为演示，发现即使在大电流高容量下充电，电极表面仍可保证洁净的“无气泡”状态，为构建高性能析气电极提供了设计参考。

基于流体力学中取得的最新进展，将“气泡二极管”的概念应用于锌空气电池充电过程中，以促进气体的快速输运。以ePTFE膜基体为研究对象，通过直流磁控溅射仪将金靶镀在膜上实现导电性，功率为100W，工作压力为5mTorr，氩气氛围下溅射4分钟，所得金膜厚度为50nm。

原位观测和FVM数值模拟结果显示，“气泡二极管”基空气电极充电过程中氧气泡选择性地从亲气性较差的一侧（接触角：100o）穿过电极孔进入亲气性较强的一侧（125o），而在传统的碳纸（137o到99o）和泡沫镍基电极（134o到63o）中气泡因为反向“二极管”效应吸附在电极表面。

图1. “气泡二极管”概念及其在锌空气电池中的应用测试图

图2. “气泡二极管”和传统碳纸、泡沫镍基空气电极表征图

图3. “气泡二极管”和传统碳纸、泡沫镍基锌空气电池原位气体和电极表面分析测试图

图4. “气泡二极管”和传统碳纸、泡沫镍基空气电极充电前后测试表征图

图5. “气泡二极管”基空气电极设计相图

图6. “气泡二极管”和传统碳纸、泡沫镍基锌空气电池中的电化学测试图

Boosting gaseous oxygen transport in a Zn-air battery for high-rate charging by a bubble diode-inspired air electrode

谈鹏教授，中国科学技术大学热科学和能源工程系特任教授，长期从事新型电池体系中物质传输和能量转化特性研究，包括热质传递特性、高性能电池材料开发、新型电池结构设计与优化等，入选中国科学院、安徽省和国家人才计划青年项目。近年来，主持科技部重点研发计划项目课题、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和企业技术开发项目多项，发表学术论文130余篇，引用4700余次；授权中国发明专利10项。

何义，中国科学技术大学热科学和能源工程系博士研究生。

本工作得到了安徽省自然科学基金、国家创新人才青年项目、中科院人才项目和中科大启动基金的支持。

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