科学家研发创新设计 令锌空气电池实现循环充电

鱼的梦 2021-01-18 17:09:01

据外媒报道,众所周知,锌空气电池用途广泛,具有重量轻、结构紧凑、寿命长且不易燃等特点,但存在无法充电的问题。通过采用创新设计对材料成分进行改进后,研究人员开发出可以充电数百次的锌空气电池,未来有望为电动汽车和电子设备供电。


科学家研发创新设计 令锌空气电池实现循环充电


(图片来源:ScienceNews)


与现有产品相比,下一代电池能量储存更多、价格更便宜且更安全,而锌空气电池就是其中一种。锌空气电池有两个电极-含锌阳极和多孔空气阴极,并由电解液隔开。普通锌空气电池通常采用强碱性电解质,如氢氧化钾。空气中的氧气进入阴极后,与电解液中的水反应生成氢氧化物,随后流向阳极,并与锌反应释放能量,从而产生电能。


德国明斯特大学的材料科学家Wei Sun表示:“目前的问题是反应不可逆。因此电池很难充电。此外,普通锌空气电池中的腐蚀性电解液还会造成电极降解。”


为解决以上问题,Wei Sun及其同事使用含防水离子的新电解液制成新型锌空气电池。这些防水离子可粘附在阴极,防止电解液中的水与阴极表面上的氧气发生反应。因此,阳极的锌离子可直接抵达阴极,并与空气中的氧气发生反应。该反应相对简单,且属于可逆反应,因此能够实现电池充电。。


此外,新的电解液不会降解电极,从而延长电池使用寿命。实验过程中,Wei Sun及其同事对新型锌空气电池共进行了320次放电和充电测试,持续时间约160个小时。


据外媒报道,锌空气电池虽然是很棒的小型储能设备,但它们还有很多改进的空间--首先,它们通常不需要充电。现在,由德国明斯特大学领导的一个研究小组已经开发出一种全新的锌-空气化学物质,从而可以使该类型的电池变得更加高效且拥有可充电能力。


科学家研发创新设计 令锌空气电池实现循环充电


资料图


跟大多数电池不同的是,锌空气电池将所有重要部件都装入到了电池中,它依赖于从周围空气中吸入的氧气。在某种程度上,它们通过“呼吸”氧气跟阴极相互作用从而产生分子,然后穿过糊状的碱性电解质并跟锌阳极反应产生电流。


问题是,锌阳极在氧化后会被“用完”,这使得这种电池无法充电。一些设计通过让锌元素可替换或使用稀土矿物催化剂使其可充电来解决这个问题,但这些却都带来了额外的成本或麻烦。


在现在的这项新研究中,工程师们创造了一种新的电解质从而可以使锌空气电池能充电。这种电池不像大多数电解质那样粘稠,而在新设计中,它更像液体。它的基础是三氟甲磺酸锌盐(zinc trifluoromethanesulfonate salt),这使得它呈现非碱性,研究小组称这能让它在化学上更稳定--最重要的是,它是可逆的,也就是说,可以充电。


该研究的首席研究员Wei Sun表示:“我们创新的非碱性电解质将一种之前未知的可逆过氧化锌(ZnO2)/O2化学物质引入到锌-空气电池中。锌-空气电池提供了一种潜在的(锂离子)替代电池技术,另外还具有环保行、高安全性和低成本等优点。”


该研究团队表示,这种新电池持续稳定运行了超过320次循环,使用时长达到1600小时。能实现的部分原因是电解质中拒水的阴离子,其使水远离阴极表面从而使其更加稳定。


虽然这是一个有趣的开发,但该团队承认,该设计离实际应用还有相当长的一段路要走。


研究人员开发出可用于制造锌空气电池的新化学成分


随着对绿色汽车和动力源需求的增加,全球的研究人员正在努力发明新型电池,这些电池可以储存更多的能量,并允许车辆每次充电行驶更长时间。正在探索的新电池技术之一是锌空气电池(ZAB),ZAB的一大挑战是电池可能不稳定。


因为它的碱性电解质中会有寄生或副反应,如枝晶形成和空气电极失效,可能导致电池失效。研究人员可能已经解决了这一问题,他们开发了一种使用非碱性水电解质的新型电池化学成分,这种新的化学反应克服了寄生反应。


非碱性电解质采用了一种可逆的过氧化锌化学成分,与传统的强碱性电解质相比,新开发的非碱性电解质具有多种优势,优势包括锌阳极的使用效率更高,化学稳定性和电化学可逆性更强。一位从事该项目的研究人员表示,目前的锌-空气电池由于有水的参与,利用的是缓慢的四电子氧氧化还原反应。然而,利用锌盐与疏水性阴离子三氟甲磺酸,该团队能够去除空气阴极表面的水,使空气阴极在稀释的水电解质中发生高度可逆的2e ORR反应。


研究人员表示,由此产生的全锌空气电池可以在常规空气环境中稳定运行320个循环和1600小时。研究人员明确表示,虽然ZAB是一种潜在的替代电池技术,与目前的锂离子电池相比具有优势,但该技术还需要更多的研究和优化。剩下的一个挑战是水管理系统,以确保长期的实际操作,因为电池在开放的工况下运作作,这需要允许电解液蒸发。

科学家研发创新设计 令锌空气电池实现循环充电

来源:盖世汽车资讯

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