陈忠伟院士联合有研（广东）研究院AEM综述：探索下一代可充放锂空气电池与锌空气电池的应用与挑战

第一作者：毕璇璇

通讯作者：王荣跃*，王建涛*，王新*，陈忠伟*

单位：有研（广东）新材料技术研究院，中国科学院大连化学物理研究所

可充电金属空气电池因其相比于金属离子电池较高的能量密度吸引了广泛的研究兴趣。在各类金属空气电池中，锌空气和锂空气电池具有更好的应用前景。目前距离Cho等人首次对比锂空气电池和锌空气电池体系已有10多年的时间，在这期间两种电池技术都取得了巨大的进展。本文对比锌空和锂空技术，介绍其电化学并分析两者相同点及区别，并介绍了两种电池技术阳极、电解质和阴极的重要进展及改进策略。

最后，对当前两种技术的应用现状进行了总结和评价并对其应用前景提出了发展方向。本文是对锌空和锂空领域的及时总结，为实现技术真正应用提供启示，有助于加速锌空和锂空的研究及实际应用。

近日，来自中国科学院大连化学物理研究所的陈忠伟院士、国联汽车动力电池研究院有限责任公司王建涛教授、华南师范大学王新教授、有研(广东)新材料技术研究院王荣跃教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Rechargeable Zinc-Air vs. Lithium-Air Battery: from Fundamental Promises towards Technological Potentials”的综述文章。该综述文章对锌空气和锂空气电池这两种代表性的金属空气电池技术进行了比较。从基本原理开始，讨论了电解质设计、阳极保护和阴极催化剂开发方面取得的进展，最后对当前研究状况进行了评估，并对未来进行了总体展望。

金属空气电池的电化学与电解质的类型高度相关。锌空气电池通常采用碱性水系电解质，具有良好的离子导电性和低成本，阴极使用空气，空气及水系中的简易操作使具有较大潜力能够用在实际应用中，因此极具有吸引力；而锂空气电池通常在非水电解质中工作，阴极使用纯氧，并基于Li₂O₂的形成可逆地放电/充电，在可以实现高库仑效率。它也可以在具有固态保护膜的水性电解质中运行，但电池性能受到有限的离子电导率和保护膜不稳定性的限制。

电解质是金属-空气电池中最关键的部分，电解质优化策略侧重于电解质设计和添加剂选择，旨在提高电解质稳定性并减少寄生反应。在本节中详细介绍了锌空气电池和锂空气电池的液体电解质、用于柔性锌空气电池的固态电解质、用于锂空气电池的固态电解质，并讨论了锌空气和锂空气电解质设计的异同。其次介绍了两种技术的金属阳极所面临的问题，并讨论了通过保护金属表面或改变金属和电解质之间的界面策略的优缺点，并对阳极和添加剂的选择进行展望。最后针对阴极的不同特性，分别介绍了阴极催化剂的多样性和阴极添加剂选择方面的开创性工作，并讨论了当前进展与商业市场之间的差距。

本节总结了世界上研发锌空与锂空的各大公司及其发展现状。与一次锂空气电池相比，一次锌空气电池已经商业化多年，并已作为一种成熟的产品占据特定的市场。可充电锌空气电池因其低成本和易于操作具有更大的应用前景，但由于技术限制其市场化较为落后，目前多家公司已经生产出产品并用于储能等领域，但电池的性能和稳定性离锂离子电池还有较大差距。对于锂空气电池，我们可以在市场上找到原电池，但由于成本高和安全性差，它还没有准备好被广泛使用。市场上还没有成熟的可充电锂空气电池产品，许多关键问题亟待解决。目前，基础研发和技术突破仍然是锌空气电池和锂空气电池商业化的主要任务。

锌空和锂空都属于金属空气电池体系，但它们在阳极、阴极和电解质上表现出很大的差异，其运作方式各不相同，各有优缺点。在过去的十年里，锌空和锂空克服了许多障碍，发展迈上了一个新的阶段，但在对电池催化反应机制的研究和对电池电化学的深刻理解还需要进一步加深。为提高金属空气电池的性能，不仅需要在电池材料设计上取得突破，还迫切需要在电池配置上取得突破。目前，锂离子电池仍主导着电池市场，并在能量密度、功率输出和成本之间提供了良好的平衡。我们相信，随着研究的继续，一旦锌空气和锂空气实现技术突破，满足性能要求，它们很有机会成为向可持续的能源未来过渡的重要组成部分。

Rechargeable Zinc–Air versus Lithium–Air Battery: from Fundamental Promises Toward Technological Potentials

陈忠伟院士简介：陈忠伟是加拿大皇家科学院院士、工程院院士。目前担任中国科学院大连化学物理研究所研究员，能源催化转化全国重点实验室主任、动力电池与系统研究部（DNL29）部长、加拿大皇家科学院委员会委员、国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席，中国化学会Renewables期刊主编，Royal Society of Chemistry -Energy Environ. Book Series主编。陈忠伟院士2018-2023年连续六年被科睿唯安评为“全球高被引学者”，荣获：国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、全世界TOP100,000科学家、全球能源科学与工程领域高被引学者、加拿大清洁能源先进材料领域资深首席科学家（Tier I）、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、2018年卢瑟福纪念奖章、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等多个国际奖项。

以第一作者或通讯作者身份，在“Nature Energy”，“Nature Nanotechnology”，“Nature Communications”，“Journal of the American Chemical Society”，“Angewandte Chemie International Edition”，“Energy & Environmental Science”，“Advanced Materials”，“Advanced Energy Materials”等国际重要学术刊物上发表论文500余篇，被引57000余次，H因子达123，另外，编著3部，申请/授权美国、中国和国际专利100余项，多项成果实现产业化转化和应用。

毕璇璇教授简介：现任有研（广东）新材料技术研究院任副主任研究员，正高级工程师。入选国家级海外高层次青年人才计划。2017年获美国俄亥俄州立大学博士学位。后在美国阿贡国家实验室任博士后。长期从事新能源电池的开发及应用，领域涉及电化学，纳米材料技术，燃料电池，金属离子/空气电池、同步辐射技术等。已发表文章56篇，引用5000余次，H-index 36。一作文章发表在Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett.等。Wiley-VCH出版著作章节一章。已授权美国专利3项，已授权中国专利1项。担任Energies杂志主题编辑，Rare Metals青年编委。曾获美国阿贡国家实验室杰出博后奖，美国能源部Clean Energy Prize奖等。