可充電鋅空氣電池（ZABs）
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-03
可充電鋅空氣電池（ZABs）的實例教程
【背景】
目前可充電鋅空氣電池（ZABs）因其理論能量密度高、安全性和可持續性高而被認為是未來電動汽車最具前景的技術。然而，ZABs的大規模商業應用仍然存在受到電催化劑性能的阻礙，尤其是在充放電過程中對氧還原反應 (ORR) 和析氧反應 (OER) 的過高過電位。開發高效、低成本且具有優異電催化性能的雙功能電催化劑是非常必要的。
單原子催化劑（SACs），尤其是過渡金屬單原子催化劑（TM-SACs），由于其原子利用率極高，在堿性條件下表現出更好的ORR活性。然而，單金屬TM- SACs 對 OER 仍然不滿意，這是制備高效 ORR/OER 雙功能催化劑過程中的一個巨大挑戰。碳氣凝膠（CA）因其相互連接的孔隙率、高表面積、優異的傳質性能和高導電性而被廣泛接受，是負載活性位點的最佳載體材料之一。在這種情況下，由 CA（Fe-Ni ANC@CA）支持的 Fe-Ni ANCs 可以實現穩定的 OER 活性，同時保持其作為 ZAB 的 ORR 和 OER 的雙功能電催化劑的 ORR 活性。
【摘要】
中國科學院上海高等研究院
Zhengxing Lv
、浙江大學
田鶴研究員
、山東大學
張進濤
/
夏海兵教授
團隊共同
通過優化熱解聚苯胺（
PANI）氣凝膠，成功地制備了
錨定在 N、S 共摻雜碳氣凝膠（Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑）上的 Fe-Ni 合金納米團簇（Fe-Ni ANCs）
。通過在單寧酸 (TA)、Fe
3+
和 Ni
2+
離子的共存下聚合苯胺單體
合成
PANI 水凝膠
，并進行
冷凍干燥。
展開 a)可充電液體ZAB的示意圖。b)組裝液體ZABs的OCV圖。c）液態氮硼化合物的放電和充電極化曲線
總之，本文已經成功開發了一種簡單有效的真空煅燒策略，用以將非晶相和氧空位同時引入超薄CoO納米片。由于良好定制的結晶度和適度的氧空位水平(通過XPS檢測為47.7%)，制備的ODAC-CoO-30樣品對ORR和OER都表現出優異的活性和穩定性。此外，當氧化鈷-30用作可充電液體和QSS鋅酸鹽的陰極電催化劑時，獲得了比貴金屬基鉑/碳+銥催化劑更高效和穩定的電池性能。本研究提供了一種簡單高效的方法，通過設計結晶度和調整氧空位濃度來提高電催化性能。設想所提出的真空煅燒策略可以廣泛應用于其它過渡金屬氧化物，以產生無定形結構和氧空位，從而用于能量儲存和轉化。（文：SSC）
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展開 為了上述要求，電池設計人員必須克服一系列限制，同時還要確保電池安全、電化學/機械穩定，此外還可由豐富且易于回收利用的材料制成。
Lee表示：“大多數鋅空氣電池都遵循5-10％放電深度（DOD）的淺循環，其電池能量無法和鋰離子電池相比。盡管之前很少有報告保留35 mWh cmgeo-2所需的面積能量，但它們的循環壽命被限制在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準。”
Lee表示：“通過優化電芯參數，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次循環顯示出最高的電池級能量密度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（增加堆疊數量），在約20 Ah的袋式電池容量下，體積能量密度可以進一步提高至1800 Wh L-1。每次充電可支持續航里程800-900英里，且在15分鐘內充至100％，里程耐久性達到約100萬英里。”
經進一步測試后，新型鋅空氣袋式電池可實現大規模生產。Lee和他的同事們表示該電池還可被用于為無人機、電動汽車或電動短途飛機提供動力。
Lee補充說：“我們現在正在簡化CPS（空氣陰極）和CBC（固體電解質）的合成配方，從而擴大生產規模。我們的ZAB工作溫度為-20至80℃，但我們正試圖擴大其工作溫度范圍。此外，我們將考慮使用鋁替代鋅來評估鋁空氣電池的潛力。”
展開 多種非貴金屬化合物已經被用作鋅空氣電池的正極材料. 鈷基自支撐電極由于其制備低成本、高性能的優勢而具有良好的應用前景, 但是構建高效的鈷基自支撐電極仍面臨很大的挑戰.
黑龍江大學付宏剛課題組采用電沉積及后續碳化的方法制備了一種在碳布上生長的氮摻雜碳包覆Co3O4納米片三維復合材料(NC-Co3O4/CC). 文章近期發表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9359-7.
圖1 NC-Co3O4/CC的制備
作為自支撐電極用作OER催化劑, 在電流密度為
10?mA/cm2
時過電勢為210 mV, Tafel斜率為
79.6?mV/dec.
作為鋅空氣電池的正極材料時, 在
10?mA/cm2
的電流密度下其充放電電壓差為
0.87?V,
即使大電流密度為
25?mA/cm2
時仍然具有良好的穩定性(93次循環后性能沒有衰減), 遠遠超過了商業催化劑.
NC-Co3O4/CC電極優異的性能主要歸因于三維結構利于電解液離子的擴散, 同時不使用粘結劑也能夠增強電極的導電性. 另外, 碳包覆不僅能夠提高電子傳導特性, 而且能提升電極的電化學穩定性. 氮摻雜可以調節碳的電子結構, 加速電子的傳遞.
圖2 NC-Co3O4/CC用作鋅空氣電池
本工作提供了一種簡單有效的策略用于合成各種自支撐電極, 從而滿足不同能量存儲及轉換器件對電極的需求.
來源：中國科學材料
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