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复旦团队国际协作发现全新中性锌氛围电池 结果登上《科学》主刊

来源:未知    2021-01-03 22:25     作者:admin

央广网上海1月3日音讯(记者傅闻捷)近期,复旦大学材料科学系青年研究员王飞团队国际合作开发了一种可充电锌氛围电池。1月1日,相干研究成果以《基于过氧化锌反馈的可充锌氛围电池》(“A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry”)为题揭橥于《科学》(Science)主刊。王飞为论文通信作者之一。

锌氛围电池拥有高实践能量密度、高安全性、低成本等长处,是一种具备远景的储能手艺。现在的锌氛围电池重要运用高浓度碱性溶液作为电解液,存在一系列题目:金属锌负极在碱性电解液中化学稳定性和电化学可逆性差,形成电池轮回寿命短,锌的有用利用率低,现实容量远低于实践容量;碱性电解液中,氛围正极的氧复原(Oxygen reduction reaction, ORR)反馈为有水分子参预的4电子反馈(H2O+O2+4e-→4OH-),其动力学较差,须要庞大且高贵的催化剂系统来加快此历程;碱性电解液易与氛围中的二氧化碳反馈,在正极皮相天生弗成溶的碳酸盐,壅闭氛围电极的反响通道,电池没法在氛围中长时间事情。

基于上述题目,王飞团队与美国、德国的钻研团队竞争,经过计划电解液的构成和调控电极外貌双电层,初次索求并乐成先实现了一种全新的基于过氧化锌(ZnO2)的可逆天生的反响机制,并行使该回响机制构建了新型的非碱性锌氛围电池。经过应用以三氟甲磺酸锌(Zn(OTf)2)为代表的具备疏水阴离子的锌盐作为电解液,在氛围正极外表修筑了锌离子富集的特色双电层布局,从而实现了锌离子与氧气反响的2电子转移反映,并有用抑止了水分子介入的4电子反馈。如许一种全新的2电子转移反馈,同时有望实现较快的动力学,为进一步加快氛围正极回响的特点催化剂开辟供给了新的钻研平台。

图1. Zn(OTf)2电解液中的氧气正极双电层构造和氧复原回响机理

图2. 运用Zn(OTf)2与ZnSO4电解液的锌氛围电池电化学机能、反响产品以及电池的氛围稳定性

为说明这一全新的2电子转移机理,研讨团队行使份子动力学摹拟和密度泛函实践计较等方式剖析了Zn(OTf)2电解液中的正极双电层布局和氧复原反馈途径(图1)。在Zn(OTf)2电解液中,氛围正极双电层构造中的锌离子与水分子的比值明明高于ZnSO4电解液,锌离子直接参与的2电子转移反映更易产生。实践模仿以外,尝试后果也证明了在Zn(OTf)2电解液中正极发作2电子转移回响(图2)。质料分析方法连系电化学测试,肯定了过氧化锌(ZnO2)为正极放电产品。非碱性锌氛围电池中,电解液不与氛围中的CO2发作副反应,电池在氛围中和氧气中均显露出不变的长轮回机能。

与传统的碱性锌氛围电池比拟,该非碱性锌氛围电池具备鲜明上风:锌负极利用率高,从而大幅提高电池的能量密度,下降单元能量密度的电池本钱;电池充放电反响可逆性高,拥有长轮回寿命;电池能够在在氛围中不变的运转,简化了电池布局,低落电池组件的耐腐蚀性请求。

该项突破性事情为进步锌空电池的电化学机能、以及研发高可逆的二次金属氛围电池供给了新的明白和钻研思绪,关于开辟更低成本、更平安的将来储能系统具备紧张意思。

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