清华大学张强教授课题组 Angew: 80℃下工作的锌空气电池

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开发能在高温下安全、高效运行的电池体系具有重要意义。然而，锂离子电池，使用可燃的有机电解液，难以满足高温工况下的储能需求。锌空气电池使用不燃的水系电解液，在高温下具有本征安全性。然而，高温工况下的锌空气电池鲜有研究。在高温下，锌空气电池的可行性、性能和瓶颈仍不清楚。

近日，清华大学张强课题组联合北京理工大学李博权团队研究了锌空气电池在高温下的工作可行性。研究者将温度对空气正极、锌负极和电解液的影响进行解耦，确定了高温下的有利和不利因素。其中，析氢副反应在高温下增强，导致的负极充电过程法拉第效率下降是主要瓶颈因素。此外，该工作证明了锌空气电池在80℃和100℃下工作的可行性。相关成果发表在Angewandte Chemie International Edition上。清华大学博士生赵长欣为论文的第一作者。

具体地，研究者将温度对空气正极、锌负极和电解液的影响进行解耦，分别研究不同温度下电解液性质、正极与负极电化学行为的转变：

电解液：根据溶液依数性，6.0 M KOH + 0.20 M Zn(Ac)₂电解液沸点超过100℃。且在高温下，电解液粘度降低（有利于传质）、电导率提升（有利于减小欧姆阻抗）。

图1. 电解液性质，包括蒸气压、粘度、电导率、离子扩散等。

正极：对RRDE与空气电极的电化学测试均表明，正极氧还原/氧析出反应动力学在高温下有所加强，在一定程度上缓解了锌空气电池正极反应动力学迟滞的问题。

图2. 正极反应动力学，包括RRDE测试与空气电极测试。

负极放电：在高温下，锌负极的钝化现象有所抑制（LSV测试与恒电位测试），锌溶解的动力学也有所提升。上述特征为锌空气电池提供了更好的倍率性能和更高的面容量。

图3. 负极放电反应动力学测试，包括LSV测试与恒电位测试。

负极充电：尽管高温下负极锌沉积的反应动力学也有所增强，但其副反应氢析出（HER）动力学增强更为显著，使得负极充电过程的法拉第效率显著降低。

图4. 负极充电过程的电化学测试，其中左图为锌电极上锌沉积，以及锌和铂电极上的HER的LSV曲线。

全电池：负极析氢副反应对与锌空气电池在高温下运行是制约因素，但并不致命。具体地，锌空气电池呈现出在80℃与100℃下工作的可行性。

图5. 锌空气电池在高温下电化学性能测试。

结论：

锌空气电池呈现出在80℃与100℃高温下工作的可行性。在高温下，电解液电导率、正极和负极动力学以及负极抗钝化得到优化，而析氢增强导致的负极法拉第效率下降是主要瓶颈。该工作扩展了锌空气电池的应用场景，为解耦电池等多因素耦合的电化学体系的关键限制因素搭建了有效的研究范式。

原文链接

Zhao, C., Yu, L., Liu, J., Wang, J., Yao, N., Li, X., Chen, X., Li, B. and Zhang, Q., Working Zinc–Air Batteries at 80℃. Angew. Chem. Int. Ed. 2022. DOI: 10.1002/anie.202208042

https://doi.org/10.1002/anie.202208042

作者简介

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赵长欣，2019年本科毕业于清华大学化学工程系，张强教授课题组博士研究生。主要研究方向为二次金属–空气电池中的应用于开发。李博权，2016年本科毕业于清华大学化学系，2020年博士毕业于清华大学化学工程系，同年加入北京理工大学前沿交叉科学研究院担任预聘助理教授/特别副研究员。主要从事锂硫电池、金属锂电池、金属空气电池等高比能二次电池的化学机制、材料构筑与器件应用等方面的研究。相关研究成果发表SCI论文90余篇，包括32篇ESI高被引论文，引用7000余次，H因子46，授权6项中国发明专利。主持国家自然科学基金等项目，担任J. Energy Chem.编委，入选2021年科睿唯安全球高被引科学家。张强，清华大学长聘教授、博士生导师。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、中国青年科技奖、教育部青年科学奖、北京青年五四奖章、清华大学刘冰奖、国际电化学会议Tian Zhaowu奖。长期从事能源化学与能源材料的研究。该研究团队深入探索锂硫电池、锂金属电池等依靠多电子化学输出能量的化学电源的原理，发展了锂键和电解液溶剂化理论，并根据能源存储需求，研制出固态电解质界面膜保护的锂金属负极及碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂金属、锂硫电池、固态电池等软包电池器件。该研究团队在锂硫电池、锂金属电池、固态电池、快充电池等领域也申请了一系列中国发明专利和PCT专利。目前该团队出成长8人获得清华大学特等奖学金，3人获得全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖等奖励。多名学生和博士后在北京理工大学、东南大学、四川大学、电子科技大学等国际著名高校任教。课题组长期招聘博士后、研发工程师，按照清华大学规定享受相关待遇。

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