蓋世汽車訊 鋅空氣電池（ZAB）因其諸多優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是極具潛力的下一代電池技術(shù)。該種電池采用獨(dú)特的半開式結(jié)構(gòu)，并具有超高理論能量密度（在含氧和不含氧的情況下分別為1,036 Wh kg-1和1,370 Wh kg-1）、柔性電極和固有的水性電解質(zhì)。此外，與電池中的其他材料相比，鋅（Zn）對(duì)環(huán)境的危害較小，并且存儲(chǔ)量更豐富。

據(jù)外媒報(bào)道，近日，韓國漢陽大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出一種新型鋅空氣袋式電池，其性能優(yōu)于市面上的其他電池。該袋式電池采用（101）-小平面磷化銅[CPS（101）]作為陰極、抗凍性殼聚糖生物纖維素作為超離子導(dǎo)體電解質(zhì)，以及采用圖案化的Zn作為陽極。

研究人員之一Jung-Ho Lee表示：“之前采用液體（6毫升KOH氫氧化鉀）電解質(zhì)的ZAB均以失敗告終，其原因是氧化還原和析氧反應(yīng)（ORR / OER）的動(dòng)力學(xué)緩慢，以及在寬溫度下伴隨著寄生反應(yīng)的Zn的不可逆性。受該特點(diǎn)啟發(fā)，我們開發(fā)出固態(tài)電解質(zhì)，例如功能化的生物纖維素，從而能夠有效地轉(zhuǎn)移OH-離子，而不會(huì)發(fā)生寄生反應(yīng)。”

之前的工作中，Lee及其同事創(chuàng)建出基于FBN（纖維蛋白）的電解質(zhì)，其在室溫下可顯示出64 mS cm-1的高離子電導(dǎo)率。但是，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于與水凍結(jié)和體積膨脹相關(guān)問題，該電解質(zhì)在零度以下和高溫情況下會(huì)失去作用。

因此，研究人員建議使用殼聚糖細(xì)菌纖維素（CBC）作為陰離子交換的固態(tài)電解質(zhì)。該電解質(zhì)主要由生物纖維素和殼聚糖組成，然后交聯(lián)2,2,6,6-四甲基-1-氧基（TEMPO）和1,4-二氮雜雙環(huán)[2.2.2]辛烷（DBO）季銨鍵。

Lee表示：“我們采用了兩個(gè)關(guān)鍵過程，TEMPO氧化和DBO季銨化，可顯著改善電池的抗凍特性，以及抗溶脹性、交聯(lián)相容性和抗離子性。CBC內(nèi)部還存在水，且可進(jìn)行轉(zhuǎn)移。但其形式是是分子水，而不是液態(tài)水。因此，即使在-20°C的溫度下，我們也可以獲得出色的電池性能和良好的穩(wěn)定性。”

Lee及其同事還制造出基于CBC的膜電解質(zhì)。該電解質(zhì)使用氫氧化物溶液進(jìn)行離子交換，從而顯示出比常規(guī)堿性電解質(zhì)更低的pH值。研究人員制備的納米纖維CPS（101）是專門為囊袋細(xì)胞應(yīng)用而合成。

Lee表示：“由于CPS（101）的最佳化學(xué)計(jì)量比為C：P：S = 1：0.5：0.5，因此化學(xué)計(jì)量比的變化會(huì)嚴(yán)重影響電池運(yùn)行期間的電化學(xué)性能。磷和硫陰離子在空間上與銅陽離子具有同等配位（相同數(shù)量的Cu-S和Cu-P鍵）共軛，并在之后的循環(huán)中保留相當(dāng)穩(wěn)定的短程和長程有序結(jié)構(gòu)。”

在該鋅空氣袋式電池運(yùn)行期間，如果FBN膜無法形成固體電解質(zhì)中間相（SEI），則CBC會(huì)生成堅(jiān)固的SEI層，從而延長循環(huán)壽命。此外，CBC還會(huì)保護(hù)陽極表面免受腐蝕和產(chǎn)生副反應(yīng)。與使用水性電解質(zhì)或其他固態(tài)電解質(zhì)的電池相比，該鋅空氣電池可以延長循環(huán)時(shí)間。

Lee還稱：“室溫下，鋅空氣電池優(yōu)異電導(dǎo)率（86.7 mS cm-1）為目前氫氧根超導(dǎo)體的最高值，相當(dāng)于商用A201的兩倍。即使在干燥的-20℃的低溫下，也可以簡單地澆鑄5 μm、900 cm2的CBC膜，并具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性，而FBN、A201或聚砜則容易降解成小碎片。”

下一代電池的一般要求是：電芯組級(jí)能量密度> 300 Wh kg-1、75美元kWh-1、可在15分鐘內(nèi)充滿電（至少充至80％），以及可在超寬溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。為了上述要求，電池設(shè)計(jì)人員必須克服一系列限制，同時(shí)還要確保電池安全、電化學(xué)/機(jī)械穩(wěn)定，此外還可由豐富且易于回收利用的材料制成。

Lee表示：“大多數(shù)鋅空氣電池都遵循5-10％放電深度（DOD）的淺循環(huán)，其電池能量無法和鋰離子電池相比。盡管之前很少有報(bào)告保留35 mWh cmgeo-2所需的面積能量，但它們的循環(huán)壽命被限制在100次以下，而DOD被限制在5-10%。要想獲得120 Wh kg cell-1的特定能量，DOD需要至少為20%，然而之前的電池并沒有遵循商用電池所需的最低標(biāo)準(zhǔn)。”

Lee表示：“通過優(yōu)化電芯參數(shù)，我們的袋式電池在電流密度為25 mA cm-2的情況下，以70％DOD的350次循環(huán)顯示出最高的電池級(jí)能量密度523±15 Wh kgcell-1（體積能量密度為1609±35 Wh l-1）。此外，我們還表明，通過采用雙極堆疊技術(shù)（增加堆疊數(shù)量），在約20 Ah的袋式電池容量下，體積能量密度可以進(jìn)一步提高至1800 Wh L-1。每次充電可支持續(xù)航里程800-900英里，且在15分鐘內(nèi)充至100％，里程耐久性達(dá)到約100萬英里。”

經(jīng)進(jìn)一步測試后，新型鋅空氣袋式電池可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。Lee和他的同事們表示該電池還可被用于為無人機(jī)、電動(dòng)汽車或電動(dòng)短途飛機(jī)提供動(dòng)力。

Lee補(bǔ)充說：“我們現(xiàn)在正在簡化CPS（空氣陰極）和CBC（固體電解質(zhì)）的合成配方，從而擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。我們的ZAB工作溫度為-20至80℃，但我們正試圖擴(kuò)大其工作溫度范圍。此外，我們將考慮使用鋁替代鋅來評(píng)估鋁空氣電池的潛力。”

-END-