未来能源市场的黑马：锌空电池

如果你没听说过锌空电池，那肯定耳闻过助听器电池。没错，下图1中展示的在超市中经常看到的就是锌空电池。它是一种以金属锌为负极，以空气中的氧为正极，去极剂、强碱水溶液为电解液的一次性化学电池。空气中的氧通过电池壳体上的孔进入附着在正极的碳棒上，负极锌被氧化，持久的化学反应产生1.45V的电压。由于其正极活性材料—氧气，存储于大气中，取之不尽用之不竭，故该电池的突出特点是电容量高；缺点是内阻高，不能提供大的电流。由于助听器的工作电流很低，锌—空气电池完全能满足这种电流要求。它价格适中，使用中不膨胀变形，对环境无污染。使用锌空电池时，正负极要放置正确，撕开电池上的小标签，等待60秒左右，让足够的氧气进入激活电化学系统。电池一旦被激活，就慢慢的耗竭掉了。

图1 常见助听器中用的锌空电池

一次锌空电池能量密度较低，且不能循环利用。近年来电动车发展迅速，给锌空气电池提供了广阔的发展空间。使得人们对它的研究逐步转移到大功率动力电池上。锌空气二次电池也成了各研究机构的开发重点。由锌-空气燃料电池驱动的电动自行车已经走上了上海街头，这款锌-空气燃料电池车最大的特点是续驶里程长，可以达到200 km以上；另一个独特之处是它采用换电池来代替传统电动车充电的方式，每次换电池大约3 min。

图2. 锌空电池的构造图 a)液态锌空电池；b)三明治型/平面型锌空电池；c)电缆型/纤维型锌空电池[1]

锌空气电池的气体扩散电极是整个电池的能量转换器，气体扩散电极的质量与性能的优劣已成为二次电池发展的瓶颈，目前气体扩散电极存在的主要问题是使用寿命及催化活性。如图2所示，空气电极在充电时发生氧析出（OER）反应，放电时发生氧还原（ORR）反应。这两种反应过程不仅涉及多电子反应，机理复杂，而且包含多相、多界面间的传质，动力学性能较差。由此产生的高的过电位会造成锌空电池效率下降。

图3. 可充型锌空电池的基本构造和性能提升所需考虑的重要方面[2]

目前研究较多的催化剂主要包括贵金属催化剂、过渡金属催化剂及碳基催化剂。贵金属催化剂如Pt 及其合金显示了良好的ORR 活性, Ir,Ru 及其复合材料具有较好的OER 活性，但这些材料都不能同时显示良好的ORR和OER 活性，无法被用作双功能催化剂。且价格昂贵、在催化过程中稳定性差，限制了其在锌空电池中的应用。基于此，我们小组主要通过设计高比表面积、高导电性的金属基催化剂材料，如CoO/Co/N-C, NiFe-MOFs/NiFeO等，来改善OER和ORR的反应动力学，提升锌空电池的能量密度和功率密度，取得了较好的效果。

图4. 采用NiFe-MOFs/NiFeO材料作为空气电极组装的可充型锌空电池点燃LED灯

科学研究的最终意义在于为人类实际生活解决具体问题。我国是锌储量居世界第一的国家，在氢氧燃料电池车的商业化面临价格昂贵、投资巨大、技术瓶颈一时难以逾越的时候，锌-空气燃料电池的诞生也许可为环保汽车的普及提供一条捷径。期待更多的同学加入我们，一起在这一领域进行深入研究和探索。

参考文献：

[1] X. Yan, Y. Ha, R. Wu, Binder-Free Air Electrodes for Rechargeable Zinc-Air Batteries: Recent Progress and Future Perspectives, Small Methods 5(4) (2021) 2000827.

[2] T. Zhou, N. Zhang, C. Wu, Y. Xie, Surface/interface nanoengineering for rechargeable Zn-air batteries, Energy Environ. Sci 13(4) (2020) 1132-1153.

杜红梅简介

杜红梅，博士，副教授，硕士研究生导师。主要锌空电池电极材料设计、超级电容器材料的设计和应用等相关研究工作。主持并完成国家自然科学基金、山东省自然科学基金。作为重要参与人参与国家自然科学基金面上项目、山东省优秀青年科学基金项目、山东省青创团队等多项基金项目。近年来，在国内外重要期刊发表SCI论文20余篇。科研成果曾获、聊城大学自然科学优秀成果二等奖等奖励。

招生专业：无机化学