浙江农林大学陈浩、庞亚俊AM：木头在混合锌电池中又立新功！

第一作者：李岚泽

通讯作者：陈浩*，庞亚俊*

单位：浙江农林大学

可充电锌电池因成本低廉、性能优异、安全可靠等优点而备受关注。然而，较低的能量密度和较短的循环寿命限制了它们的规模化应用。构建集多种电化学反应为一体的混合锌电池已被证实是一种提高电池能量密度并延长电池使用寿命的有效途径。其中，水系碱性镍锌（Ni-Zn）电池和锌空气（Zn-air）电池具有相同的电解质系统和良好匹配的放电电压平台，在技术上可以将电化学反应整合在一起，从而构建涉及两级放电电压平台的混合锌电池。该混合锌电池兼具Zn-air电池的高能量密度和Ni-Zn电池的高功率密度，被认为是下一代高性能储能装置的潜在选择。

尽管混合锌电池整合了Ni-Zn电池和Zn-air电池的优点，但电池中电催化氧反应的动力学和电解质的传质受限于不匹配和无序的三相界面传递通道，仍然深深地限制了混合锌电池的输出容量和能量效率。因此，开发一种具备连续定向三相界面通道的新型电极材料，以针对性地解决混合锌电池中电催化氧反应动力学缓慢及界面传质受限等问题，具有十分重要的意义，并为相关研究的推进提供方向和借鉴。

近日，浙江农林大学沈哲红教授团队的陈浩教授和庞亚俊博士及其合作者在国际知名期刊Advanced Materials（影响因子：32.086）上发表题为“Wood-derived continuously oriented three-phase interfacial channels for high-performance quasi-solid-state alkaline zinc batteries”的研究工作。

该工作提出了一种集成活性材料、集流器和连续定向三相反应界面通道的木材衍生电极。该电极可以直接用作混合锌电池的正极，而不需要额外的气体扩散层，从而显著改善了混合锌电池中电催化氧反应的动力学，并加速质量传递。因此，以该电极组装的准固态混合锌电池除了具有644.7 Wh kg^-1的高能量密度和良好的耐久性外，还表现出除Ni-Zn电池外的Zn-air电池的充放电过程，从而获得0.6-2.0 V的宽工作电压范围和1 mA cm^-2时656.5 mAh g^-1的优异比容量。更重要的是，混合锌电池相比于单独的Ni-Zn电池，比容量提升了约370%，使其成为最优异的碱性锌电池之一。

传统Zn-air电池中不完全匹配且无序的三相界面通道使电池中电催化氧反应的动力学和电解质的传质受到限制，极大地抑制了混合锌电池的性能。本文利用松木的天然结构开发了一种具备连续定向三相界面通道的新型木质正极。这种新型三相界面通道同时表现出混合锌电池中集流器和气体扩散层的综合功能，并在导电骨架内实现了高效的电解液渗透和氧气扩散。与传统Zn-air电池中不完全匹配且无序的三相界面通道相比，这些连续取向的三相反应界面通道由于其延伸性和相互连接的界面结构，可以显著改善混合锌电池中电催化氧反应的动力学，并加速质量传递。

本文通过对松木片（PW）进行简单的清洗和碳化工艺以利用其本征通道阵列结构，然后在获得的木材衍生碳（WDC）集流器的单面电沉积亲水性活性材料钴镍硫化物和氢氧化物的混合物（CNSOH），从而构建了具备不对称湿润性的连续定向通道。在该通道中形成了涉及氧气（气相）、催化剂（固相）和电解质（液相）的三相界面，该三相界面通道主要控制了反应气体（O₂）的供应、反应产物（H₂O）的转移，以及为电催化氧还原/氧析出（ORR/OER）反应提供活性位点，极大影响了Zn-air电池部分的电化学性能，我们称这种新型的结构为三相界面通道。该三相界面通道的构建方法十分简便，且可以针对性地解决混合锌电池中电催化氧反应动力学缓慢及界面传质受限等问题。如图3所示，接触角测试也表征了电极不对称的润湿性，SEM和TEM表征了CNSOH活性材料的片状结构和成分组成。

在正常流动的空气环境中，CNSOH@WDC-45//Zn混合锌电池表现出明显的两步放电过程，其中在1.4-2.0 V和0.6-1.4 V电压范围内的放电曲线分别对应于Ni-Zn电池和Zn-air电池的放电过程。CNSOH@WDC-45//Zn混合锌电池在1 mA cm^–2的电流密度下提供了656.5 mAh g^–1的超高比容量，远超CNSOH@WDC-180//Zn准固态Ni-Zn电池138.9 mAh g^–1的比容量（由于不具备从外到内的通道结构，CNSOH@WDC-180//Zn只能进行Ni-Zn电池的充放电过程），这种出色的容量性能也优于迄今为止报道的大多数类似的锌电池。即使在10 mA cm^–2的大电流密度下，CNSOH@WDC-45//Zn混合锌电池仍然表现出230.6 mAh g^–1的高可逆容量，表明其优异的倍率性能。此外，CNSOH@WDC-45//Zn混合锌电池在长达8000 min的循环测试后，仍具有80.4%的容量保持率，具有良好的循环稳定性。在实际应用方面，CNSOH@WDC-45//Zn准固态混合电池具有稳定的开路电压，可以持续为电子温度计供电。

Wood-derived continuously oriented three-phase interfacial channels for high-performance quasi-solid-state alkaline zinc batteries

庞亚俊，讲师，硕士生导师，主要从事生物质衍生与阵列化材料微观结构调控及其在清洁能源领域利用研究，已发表学术论文30篇，获授权发明专利3项，其中，以一作或者通讯作者身份在Adv. Mater.、Appl. Catal. B-Environ.、Energy Storage Mater.、Small、Energy Environ. Mater.等期刊发表论文20余篇。指导本科生以第一作者在Chin. Chem. Lett.国际期刊发表学术论文，获国家级大学生创新创业训练计划项目，在多项国家和省级学科竞赛中获奖。现兼任Chem.Eng.J.、J. Alloys Compd.等多个期刊的审稿人。

陈浩，教授，博士生导师，浙江省151人才第三层次、浙江省高等学校“院士结对培养青年英才计划”、浙江省科协“育才工程”资助培养人员，上海市优秀博士论文获得者，浙江农林大学“青年拔尖人才”、“优秀青年英才”。主要开展生物质能源材料研究，主持国家自然科学基金、企业重大横向课题等项目，获得浙江省科学技术进步二等奖等。以一作或者通讯作者身份在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等期刊发表SCI索引期刊论文30余篇，其中包括8篇ESI高被引论文，1篇论文入选2014年中国百篇最具影响国际学术论文。现兼任Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.等30多个期刊的审稿人和仲裁人。

李岚泽，男，浙江农林大学研究生。主要从事生物质微纳米功能材料在能源领域应用方面的研究。目前已以第一/共同第一作者身份在Adv. Mater和Chem. Eng. J.学术期刊上发表论文2篇，参与发表其他SCI收录论文5篇。