锌空气电池(锌空气电池为什么不能大规模应用)

一、研究背景

在21世纪，全球可穿戴设备市场向前迈出了一大步，为人类生活质量和便利性的提高创造了新的机遇。可穿戴设备的迅速发展趋势极大地推动了高速档柔性电源的发展，其具有高安全性、环保性、高能量和功率输出以及超长循环寿命。在此背景下，“超锂电池”（如锌基、镁基和铝基电池）是促进锌电池（具有本身安全水电解质）开发的理想选择，特别是在频繁与人体密切接触的情况下。其中，锌电池以其高能量输出、高安全性、低成本和环境友好性而闻名，这是因为锌金属的高比容量（820 mAh·g–1）、本质安全性、自然丰富性和生态友好性，使其在先进设备方面具有广阔的前景。

柔性水性锌-空气电池（FAZABs）由于其高能量密度、安全性和环境友好性引起了研究者极大的兴趣。典型FAZABs通常由聚合物电解质制成，用作离子传输的电解质储器和用于抑制内部短路的分离器。聚合物电解质的使用，还可以避免腐蚀性液体电解质的泄漏问题，以满足对安全性和灵活性的追求。然而，聚合物基锌空气电池也面临以下挑战：（1）聚合物电解质的相对较低的离子电导率（与液体电解质相比）将增加电池的欧姆损失；（2）独特的半开式电池结构对聚合物电解质的保水能力提出了巨大挑战；（3）锌阳极在循环过程中的稳定性对锌阳极与聚合物电解质之间的界面稳定性提出了要求。

准固态凝胶聚合物电解质（QSGPEs）被视为FAZABs的最先进电解质，因具有液体状离子传导特性和固体状内聚柔性，使其具备了高离子传导性、高灵活性和抗传统液体电解质泄漏问题的能力。并且QSGPEs中有限的游离水可以缓解活性物质的溶解。此外，利用QSGPEs作为粘合剂和分离器，有助于设备的完整性和简化组装过程。

QSGPEs由水溶性导电盐溶胀的聚合物基体组成。常用的聚合物基体包括聚环氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸酯钠（PANa）、聚丙烯酰胺（PAM）等；此外，还有一些生物聚合物，包括纤维素、藻酸盐、明胶、琼脂糖等。这些聚合物用亲水基团（例如羧基、羟基、羰基和/或氨基）官能化，以通过氢键储水。KOH由于其高离子电导率、高氧扩散系数以及低粘度，被认为是最常用的溶解盐之一。迄今为止，FAZABs主要使用PVA–KOH QSGPEs制备，因其具有高化学稳定性、低成本和制造工艺简单等优势。然而，这种QSGPEs的环境稳定性低、耐碱性差、电池循环寿命差（10～20 h）。

二、研究成果

鉴于此，天津大学胡文彬教授、钟澄教授和浙江大学陆俊教授合作报道了一种新型的磺酸盐官能化纳米复合材料QSGPE被应用于FAZABs中，具有高离子电导率、强碱性和高锌阳极稳定性。值得注意的是，（1）QSGPEs的强阴离子磺酸盐基团的存在，有助于暴露更耐锌枝晶形成的优选Zn（002）面，（2）将纳米凹凸棒石用作电解质添加剂，有利于增强离子导电性、电解质吸收和保持能力，使制备的FAZAB具有450 h的超长循环寿命。

相关研究工作以“Functionalized Nanocomposite Gel Polymer Electrolyte with Strong Alkaline-Tolerance and High Zinc Anode Stability for Ultralong-Life Flexible Zinc–Air Batteries”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

三、研究内容

图1. 纳米SFQ制备示意图（a）； PVA–KOH和纳米SFQ在原始状态下浸入不同浓度KOH溶液中的照片（b）。

图2. 纳米SFQ、SFQ和PVA–KOH的FTIR图谱（a）；纳米SFQ的C1s（b）和S2p（C）的XPS光谱；纳米SFQ的FESEM和EDX图（d）；PVA–KOH、SFQ和纳米SFQ的电解质吸收行为（e）、离子电导率（f）和电解质保持能力（g）；PVA–KOH和纳米SFQ暴露在空气不同时间后的照片（h）。

图3. 基于纳米SFQ、SFQ和PVA–KOH QSGPE的FAZAB的电化学性能。在1 mA·cm–2时恒流放电–充电循环曲线，每个循环持续1h（a）；在不同电流密度（0.25、0.5、1、2、4和8 mA·cm–2）下的速率曲线（b）；恒电流放电曲线（c）；极化和相应的功率密度曲线（d）；纳米SFQ基FAZAB与先前报道的FAZAB的循环寿命的比较（e）。

图4.基于纳米SFQ、SFQ和PVA–KOH QSGPE的Zn–Zn对称电池中，在1 mA·cm–2、0.5 mAh·cm–2下恒电流镀锌剥离（a）；使用纳米SFQ（b）和PVA–KOH QSGPE（c）的循环锌阳极的FESEM图像；使用磺酸官能化QSGPE和商用锌板的循环锌阳极的XRD图（d）;使用纳米SFQ的循环锌阳极的EBSD图：取向映射（e）和反极图（f）；锌阳极（灰球）与PVA–KOH（g）和磺酸官能化QSGPE（h）之间界面的力学分析。

图5. FAZAB的开路电位分布（a）；FAZAB在不同弯曲状态下的恒流放电-电荷循环曲线（b）;连接的FAZAB为腕带血压监测仪供电的照片（c–d），电话和连接电池系列的恒电流放电曲线（e），柔性灯带臂章（f）;导线型FAZAB的配置示意图（g）;不同弯曲角度下的FAZAB电线照片（h）以及相应的恒电流放电-充电循环曲线（i）;可编织的FAZAB为可穿戴柔性发光二极管屏幕（j–k）和（l–m）手表供电的照片。

四、结论与展望

发展下一代可穿戴电子设备，一直是探索具有高能量密度和安全性的高性能柔性电源的强大推动力，其中FAZABs是最有前途的能源设备之一。QSGPEs是FAZABs的最先进电解质，同时实现高离子电导率和高柔性，具有高安全性，可抑制传统液体电解质的泄漏问题。

在本研究中，一种新型的磺酸盐官能化纳米复合材料QSGPE被首次应用于FAZABs，具有高离子电导率、强碱耐受性和高锌阳极稳定性。此外，所获得的QSGPEs的强阴离子磺酸盐基团有助于暴露优选的Zn（002）平面，其更耐锌枝晶形成。将纳米凹凸棒石用作电解质添加剂，有利于提高离子电导率、电解质吸收和保持能力。所有这些步骤使制备的FAZAB具有450 h的超长循环寿命，比传统的PVA–KOH QSGPE更长。并且由两个和三个FAZABs串联/并联单元制造的柔性能量带和可编织能量线，可用于为各种可穿戴电子设备供电。

五、文献

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202309290