谈鹏/倪萌教授EnSM综述：可充电碱性锌电池：进展与挑战- 大数跨境

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谈鹏/倪萌教授EnSM综述：可充电碱性锌电池：进展与挑战

科学材料站

2020-06-09

导读：本文介绍了近年来以可充电碱性锌基电池的电极结构设计和电极、电解质材料开发等方面的进展，并对未来的发展方向进行了探讨和展望。

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作者：尚文旭1，俞文涛1，刘永富，李瑞欣，代亚雯，程纯

通讯作者：谈鹏*，倪萌*

单位：中国科学技术大学，香港理工大学

引言

随着近些年新能源产业的快速发展，对于廉价高性能储能装置的需求越来越大。锂离子电池作为成熟的商业化产品得到了广泛应用。然而，为了降低产品成本和提高安全性，需要开发新型电源系统。可充电的锌基电池以其低廉的成本，较高的安全性逐渐引起了关注，但是在商业化的过程中还要解决诸多的挑战。一方面，电池的实际能量密度、能量效率需要进一步的提升；另一方面电池的循环稳定性，包括锌电极的稳定性，电池自放电等问题需要解决。

文章简介

近日，Energy Storage Materials期刊在线发表了由中国科学技术大学谈鹏研究员课题组联合香港理工大学倪萌教授课题组撰写的综述论文“Rechargeable alkaline zinc batteries: progress and challenges”。该文章第一作者为尚文旭和俞文涛，谈鹏研究员和倪萌教授为通讯作者。文章介绍了近年来以可充电碱性锌基电池的电极结构设计和电极、电解质材料开发等方面的进展，并对未来的发展方向进行了探讨和展望。

综述总览图

一、概述

锌基电池是使用金属锌为负极的电极材料。锌作为电极材料具有价格低廉、理论容量高、安全无毒等特点。此外，锌基电池所使用的水系溶液同样保证了电池的安全性能。在碱性条件下，电池可以获得更高的电压。因此，碱性可充电的锌基电池成为了近些年的研究热点。

二、电池正极

碱性锌电池正极材料主要包括银、钴、镍、铜、铋各种金属及其氧化物/氢氧化物。围绕电极结构及材料，近年来研究人员展开了大量的工作，包括修饰微观形貌、改变表面状态以及掺杂其他离子等，有效地优化了该类电池的电化学性能。

就反应机理而言，Ag具有从Ag到Ag+和Ag2+的两个化合价态，因此可以表现出两个不同的放电电压平台。氧化镍或氢氧化镍仅具有从Ni2+到Ni3+的一种化合价态。尽管Co氧化物具有从Co2+到Co3+和Co4+的两个化合价态，但这两个反应的电压接近。类似地，由于从Cu到Cu+和Cu2+的两个价态，Cu也表现出两个放电电压平台。Bi2O3表现出基于一阶相变过程的超平坦放电电压以及多电子转移，

如图1所示。至于电池性能，受溶解在碱性溶液中的Ag离子迁移的限制，锌银电池的循环寿命需要进一步提升。由于Ni(OH)2和Co3O4的固有电导率差，因此可以添加一些导电碳材料以增强导电性。此外，Co3O4在尖晶石晶体结构中具有很高的钴离子稳定性，并导致容量利用率低至不到50％，亟需进一步提升。对于Zn-Cu和Zn-Bi电池，相对较低的放电电压（~0.8 V）以及循环过程中快速的容量衰退是下一步研究的重点。

图1 碱性锌基电池反应机理

三、锌电极

在锌基电池中常用锌金属薄片作为电池的负极，存在着如下的问题：首先是有限的反应面积影响了高电流密度下的电池性能，其次是锌金属作为电极本身存在的问题主要包括枝晶、钝化和析氢腐蚀。目前主要的解决方法包括：电极结构设计、电极表面处理和添加剂。电极结构设计主要是通过具有高比表面积的电极，如锌颗粒制作的电极和具有多孔基底材料的电极，来代替的金属薄片。高的比表面积不仅能够增加电池的性能，还能够缓解电极的钝化和枝晶问题。电极表面处理通过在电极表面形成一层镀层来避免和电解液的直接接触，从而缓解钝化和析氢腐蚀。添加剂通常包括无机添加剂和有机添加剂。无机添加剂通常是金属离子，这些金属离子有着比锌更负的电位，在还原过程中可以先沉积从而改变电极沉积形貌。

此外，某些金属离子可以增大电化学析氢的过电位，从而减缓电极腐蚀。有机添加剂可以吸附在电极表面，形成一个保护层。

四、电解质

锌基电池中最常用的是含有锌盐的氢氧化钾水溶液。除了传统的碱性水系电解液外，水凝胶和聚合物凝胶电解质也被用于锌基电池，尤其是在锌基柔性电池中应用广泛。凝胶电解质可以有效的避免电解液的泄露以及从某种程度上缓解锌电极存在的问题。此外，凝胶电解质在低温条件下展示了良好的性能。

五、总结与展望

近些年来，在可充电的锌基电池上取得了一系列的进展，电池的能量密度、能量效率和循环稳定性有了大幅度的提升。未来的研究需要进一步解决下列问题：

1) 正极材料：利用率不高，铜铋等材料电压低的问题；

2) 负极锌材料：恰当地结合多种策略，提高锌电极的稳定性；

3) 电解质材料：探索最优的电解液配比，包括碱的浓度、添加剂的种类与含量等，以及柔性电池中的凝胶电解质稳定性等问题；

4) 电池整体的结构设计：包括单电池的结构以及电堆的系统设计。

总而言之，应针对实际容量，倍率能力，循环稳定性等还需要进行许多具有挑战性的工作。我们相信，可再充电碱性锌电池在不久的将来一定会很有市场前景。

致谢

该工作得到了中科院青年项目、上海精益电器厂有限公司、中国科学技术大学青年创新重点基金项目、仲英青年学者项目等的支持。

文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829720302087

第一作者及导师简介:

尚文旭，中国科学技术大学热科学和能源工程系研究生在读，研究方向为锌基电池正极材料优化以及复合锌空气电池结构设计。

俞文涛，中国科学技术大学热科学和能源工程系研究生在读，研究方向为用于大规模储能的锌基液流电池，包括锌电极寿命优化、电极的结构设计与传质研究。

谈鹏，中国科学技术大学特任研究员，博士生导师，热科学和能源工程系副主任，入选中科院青年项目、仲英青年学者。2012年在清华大学热能工程系获学士学位，2016年在香港科技大学机械工程系获博士学位，2016-2018在香港理工大学从事博士后研究。研究方向为用于能量转化和储存的新型电池系统研发，包括热质传递与能量转化特性研究、高性能电池材料研发、新型电池结构设计与优化等。近年来，主持科技部重点研发项目课题、安徽省面上及企业技术研发项目等。在Energy & Environmental Science、Advanced Energy Material、Progress in Energy and Combustion Science等能源领域顶级期刊发表SCI论文80余篇，引用1800余次；其中第一/通讯作者论文30余篇，3篇入选ESI高被引论文。申请中国发明专利11项，已获授权专利7项。担任Applied Energy、Energy Conversion and Management、Journal of Power Sources等数十个国际学术期刊审稿人。

倪萌，香港理工大学教授，博士生导师。于2007年获得香港大学博士学位，同年获得香港青年科学家奖，随后在香港大学进行了为期近2年的博士后研究。倪萌博士于2009年7月加入香港理工大学担任助理教授，2012年7月晋升为副教授，2016年7月晋升为教授，系研究委员会主席及副系主任。倪萌博士是德国洪堡学者，曾于2017年1月至7月在德国于利希研究中心进行合作研究。他的主要研究领域为固体氧化物燃料电池和锌-空气电池，目前H-index为40. 倪萌博士目前担任超过80份国际期刊审稿人,包括Science，Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials等. 倪萌博士是Sustainable Energy Technologies and Assessments (Elsevier)的高级编辑（Senior Editor），也曾担任SCIENCE　BULLETIN期刊副主编（2015-2017），并于2016和2017年连续获得SCIENCE BULLETIN优秀副主编奖。

中国科学技术大学刘永富、李瑞欣，香港理工大学研究生代亚雯、程纯均在本工作中做出了重要贡献。

课题组链接:

课题组网站

http://staff.ustc.edu.cn/~pengtan/