鋅空氣電池因其較高的能量密度、豐富的原材料儲量及更的高安全性，從而在便攜電子，電動汽車等領域中有著很大的吸引力。由于堿性電解液難以使可充電鋅空氣電池得到長循環壽命，中性電解液引起了研究者們極大的重視。本篇綜述從三個方面總結了可充電中性鋅空氣電池的最新研究進展：電解液、鋅負極和空氣正極。其中，中性電解液部分討論了水系無機/有機鹽溶液、鹽包水電解液和凝膠電解質。鋅負極部分回顧了中性電解液中提升金屬鋅負極穩定性的方法。空氣正極部分比較了中性和堿性電解液中析氧反應和氧還原反應的反應機理，同時總結了可在中性條件下使用的催化劑。文章末尾對未來可充電中性鋅空電池的發展方向提出了展望。

 

       全文鏈接：    https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589778021000051

       研究背景：

 

       金屬空氣電池使用金屬負極和氧氣正極，在放電的過程中，金屬被氧化而氧氣被還原。由于氧氣不需要被存儲在電池中，金屬空氣電池的比容量和能量密度通常比普通電池高。在眾多金屬空氣電池中，鋅空氣電池因其使用不易燃的水系電解液和高理論能量密度、價格低廉、儲量豐富且無毒的鋅金屬而引起了極大的關注。

 

       1878年，Maiche使用中性氯化銨水溶液做電解液，發明了首個鋅空氣電池。1932年，Heise和Schumadcher實現了中性鋅空氣電池的商業化。與堿性電解液不同的是，中性氯化銨電解液不會與二氧化碳反應生成碳酸鹽。

 

       Jindra等人在1973年研究了氯化銨水系中性電解液在鋅空氣電池中的應用。但是堿性電解液（如氫氧化鉀，氫氧化鈉和氫氧化鋰水溶液）具有高離子電導率。比如常用的重量比35%的氫氧化鉀溶液在25℃時具有高離子電導率（0.55 S cm-1）和低粘度（2.2339 mPa s）。它能夠制備更高能量密度的電池，因而在目前的商用一次性鋅空氣電池中得到了更廣泛的應用。更為重要的是，氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）中常用的催化劑在堿性電解液中具有更高的催化活性。但堿性電解液的使用也會帶來很多難以解決的問題，從而使中性電解液再次引起了關注。鋅空氣電池的發展歷程如圖1。

圖1. 鋅空氣電池發展時間線

 

       內容簡介：

 

       1. 中性電解液

 

       中性電解液包括水系有機/無機鹽電解液、鹽包水電解液和凝膠電解質。其中，鹽包水電解液指在溶液中鹽的質量和體積比溶劑大很多的體系。在這種體系中鹽離子之間的相互作用比鹽離子和溶劑之間的相互作用要大。鹽包水電解質可以通過防止水分解來拓寬電壓窗口，從而提升循環壽命。凝膠電解質具有機械強度和柔性，適用于發展可穿戴電子器件。具有合適骨架和官能團的高分子水凝膠能夠為柔性鋅空氣電池提供足夠的機械強度，并可以容納液態溶劑并防止液體泄漏。文中詳細總結了各類電解液的優缺點并進行了比較。

圖2. 鹽包水電解液的電化學性能

 

       2. 中性電解液中的鋅負極

 

       鋅金屬可以直接在水系電解液中使用，同時具有高理論比容量（820 mAh g−1 and 5855 mAh cm−3）和儲量豐富的優點，是很有潛力的負極材料。但是鋅金屬在使用過程中會出現枝晶生長、腐蝕和析氫副反應的問題，大大影響了它的循環穩定性。文中梳理了目前兩種提升鋅金屬負極電化學穩定性的方法：鋅負極的表面改性和三維集流體的設計。電極/電解液界面的穩定性對鋅金屬循環穩定性至關重要，因此，在金屬鋅負極表面包覆一層功能層能夠穩定金屬鋅負極的沉積溶解過程。三維集流體的高比表面積能夠提供足量的電化學活性位點并降低局部電流密度，同時其三維結構能夠容納足量的金屬鋅并在充放電過程中釋放應力。

圖3. 鋅負極的挑戰：枝晶生長、腐蝕和析氫副反應。

 

       3. 中性電解液中的空氣正極

 

       空氣正極在放電時通過氧還原反應消耗氧氣，在充電時通過析氧反應釋放氧氣。文中首先介紹了析氧反應和氧還原反應的基本反應機理，并著重比較了析氧反應和氧還原反應在中性和堿性電解液中的不同。接著介紹了各種適合在中性鋅空氣電池中使用的催化劑，并歸納總結了兩種提升它們催化性能的方法。

圖4. 氧還原反應機理示意圖

 

       4.挑戰和展望

 

       文章在最后針對可充電中性鋅空氣電池所面臨的問題，提出了未來研究需要側重的方向，同時討論了過往實驗中常被忽視的一些技術指標，評價了可充電中性鋅空氣電池在實際應用中將要面臨的挑戰。