可充電鋅空氣電池因其高能量密度、環(huán)保、安全等優(yōu)點，被認為是下一代先進能源器件的有力競爭者，是我國“雙碳”目標實現(xiàn)過程中電化學(xué)儲能領(lǐng)域重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，鋅空氣電池快充過程類似于電解水反應(yīng)，面臨嚴重的氣泡析出問題。正極氧析出反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡附著于電極表面，導(dǎo)致反應(yīng)活性位點失效、電解液中離子傳輸受阻、電解液擠出泄露等嚴重危害。雖然大量的工作致力于開發(fā)高活性的非貴金屬雙功能催化劑，但對于電極中的氣泡行為及傳輸機理卻始終缺乏完整的理論以及調(diào)控方案。

 

       中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團隊針對電化學(xué)系統(tǒng)中的氣泡行為和調(diào)控機制開展了一系列研究（Chem. Eng. J., 2022, 427:130862;Chem. Eng. J., 2022, 438:135541；Chem. Eng. J., 2022, 448:137782；EnergyReviews, 2023, 2: 100015）。近日，談鵬團隊提出“氣泡二極管”概念用于鋅空氣電池快充過程中氣體的快速排出，實現(xiàn)高性能快速穩(wěn)定充電，并闡明了電化學(xué)系統(tǒng)中氣泡傳輸?shù)膬?nèi)在機理。相關(guān)成果在《儲能材料》（Energy Storage Materials）上發(fā)表了題為“Boosting gaseous oxygen transport in a Zn-air battery for high-rate charging by a bubble diode-inspired air electrode ”的研究論文。

 

       談鵬團隊將“氣泡二極管”的概念應(yīng)用于二次鋅空氣電池中，以實現(xiàn)快充過程氣體的及時輸運。數(shù)值計算結(jié)果表明，大尺寸氣泡需要更高的接觸角差使正反面產(chǎn)生足夠的不平衡表面張力驅(qū)動其穿過電極。據(jù)此繪制了氣泡和接觸角大小相關(guān)的氣泡行為相圖，用于指導(dǎo)電極設(shè)計。

圖1“氣泡二極管”基空氣電極設(shè)計相圖

 

       以膨體聚四氟乙烯（ePTFE）膜基體為研究對象，基于原位觀測平臺和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，充電過程中“氣泡二極管”基空氣電極上氣泡選擇性地從親氣性較差的一側(cè)（接觸角：100o）穿過電極孔進入親氣性較強的一側(cè)（125o），而在傳統(tǒng)的碳紙基電極（137o至99o）和泡沫鎳基電極（134o至63o）中氣泡因為反向“二極管”效應(yīng)吸附在電極表面。因此，氣泡的及時排出得益于對電極浸潤性的精準調(diào)控。電化學(xué)質(zhì)譜儀測試表明，“氣泡二極管”基電池充電過程中釋放出更多的氧氣，尤其是在高電流下，例如30mA/cm2，分別超過泡沫鎳和碳紙基電池9.2%和15.2%的析氧率。進一步在50mA/cm2的超高電流密度下大容量充電（96分鐘），電極表面始終維持潔凈的“無氣泡”狀態(tài)，且電極表面活性物質(zhì)的脫落受到明顯抑制。由此可知，在“氣泡二極管”的作用下，氧析出反應(yīng)產(chǎn)生的氣體被及時排出電池體系，避免了氣泡的附著及由此導(dǎo)致的高充電氧化態(tài)下的碳腐蝕反應(yīng)。電化學(xué)測試結(jié)果顯示，“氣泡二極管”基鋅空氣電池在2.2V的截止電壓下表現(xiàn)出94mA/cm2的高充電極限電流密度，50mA/cm2電流密度下表現(xiàn)出1.98V的低充電極化曲線電壓，并擁有600圈的穩(wěn)定長循環(huán)性能（10mA/cm2）。

圖2“氣泡二極管”和傳統(tǒng)碳紙、泡沫鎳基鋅空氣電池電化學(xué)性能測試

 

       談鵬團隊基于交叉學(xué)科的思想，將傳熱傳質(zhì)、電化學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科相融合，成功揭示電化學(xué)系統(tǒng)中的氣泡傳輸機理，實現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)的高效穩(wěn)定運行，為包括金屬空氣電池、電解水制氫等高性能析氣電極的設(shè)計指明方向。

 

       中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬為該論文的通訊作者，博士研究生何義為第一作者。該研究得到了安徽省自然科學(xué)基金、國家創(chuàng)新人才計劃青年項目、中科院人才項目和中科大啟動經(jīng)費的支持。

 

       論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.030