近期，復旦大學材料科學系青年研究員王飛團隊國際合作開發了一種可充電鋅空氣電池。1月1日，相關研究成果發表于國際權威雜志《科學》（Science）主刊。王飛為論文通訊作者之一。

 

      鋅空氣電池具有高理論能量密度、高安全性、低成本等優點，是一種具有前景的儲能技術。目前的鋅空氣電池主要使用高濃度堿性溶液作為電解液，存在一系列問題：金屬鋅負極在堿性電解液中化學穩定性和電化學可逆性差，造成電池循環壽命短，鋅的有效利用率低，實際容量遠低于理論容量；堿性電解液中，空氣正極的氧還原（Oxygen reduction reaction, ORR）反應為有水分子參與的4電子反應（H2O+O2+4e-→4OH-），其動力學較差，需要復雜且昂貴的催化劑體系來加速此過程；堿性電解液易與空氣中的二氧化碳反應，在正極表面生成不可溶的碳酸鹽，阻塞空氣電極的反應通道，電池無法在空氣中長時間工作。

 

      基于上述問題，王飛團隊與美國、德國的研究團隊合作，通過設計電解液的組成和調控電極表面雙電層，首次探索并成功先實現了一種全新的基于過氧化鋅（ZnO2）的可逆生成的反應機制，并利用該反應機制構建了新型的非堿性鋅空氣電池。通過使用以三氟甲磺酸鋅(Zn(OTf)2)為代表的具有疏水陰離子的鋅鹽作為電解液，在空氣正極表面構筑了鋅離子富集的特征雙電層結構，從而實現了鋅離子與氧氣反應的2電子轉移反應，并有效抑制了水分子參與的4電子反應。這樣一種全新的2電子轉移反應，同時有望實現較快的動力學，為進一步加速空氣正極反應的特征催化劑開發提供了新的研究平臺。

圖1. Zn(OTf)2電解液中的氧氣正極雙電層結構和氧還原反應機理

圖2. 使用Zn(OTf)2與ZnSO4電解液的鋅空氣電池電化學性能、反應產物以及電池的空氣穩定性

 

      為闡明這一全新的2電子轉移機理，研究團隊利用分子動力學模擬和密度泛函理論計算等方法解析了Zn(OTf)2電解液中的正極雙電層結構和氧還原反應路徑。在Zn(OTf)2電解液中，空氣正極雙電層結構中的鋅離子與水分子的比值明顯高于ZnSO4電解液，鋅離子直接參與的2電子轉移反應更易發生。理論模擬之外，實驗結果也證實了在Zn(OTf)2電解液中正極發生2電子轉移反應。材料分析方法結合電化學測試，確定了過氧化鋅（ZnO2）為正極放電產物。非堿性鋅空氣電池中，電解液不與空氣中的CO2發生副反應，電池在空氣中和氧氣中均表現出穩定的長循環性能。

 

      與傳統的堿性鋅空氣電池相比，該非堿性鋅空氣電池具有明顯優勢：鋅負極利用率高，從而大幅提高電池的能量密度，降低單位能量密度的電池成本；電池充放電反應可逆性高，具有長循環壽命；電池可以在在空氣中穩定的運行，簡化了電池結構，降低電池組件的耐腐蝕性要求。

 

      該項突破性工作為提高鋅空電池的電化學性能、以及研發高可逆的二次金屬空氣電池提供了新的理解和研究思路，對于開發更低成本、更安全的未來儲能體系具有重要意義。