中國儲能網(wǎng)訊：電化學可充的鋅-空氣電池具有能量密度高、水系電解液安全、經(jīng)濟性強等特點，在電動汽車、便攜式電源以及大型儲能方面具有廣闊應用前景，是發(fā)展綠色清潔能源的重要產(chǎn)業(yè)方向。但該電池的空氣電極制備過程需要高性能催化劑和特殊的電極結構，這些問題嚴重制約了鋅-空氣電池的產(chǎn)業(yè)化進程。本文從催化劑開發(fā)和電極結構設計兩個角度分析空氣電極研究開發(fā)現(xiàn)狀，并對今后催化劑及空氣電極的發(fā)展趨勢進行討論。開發(fā)高活性、高穩(wěn)定性、價格合理的雙功能電催化劑，進行高度結構化的空氣電極設計與制備工藝研究；發(fā)展適合于批量化制造的三電極結構的鋅-空氣電池是未來鋅-空氣電池的重要方向。
引言
目前，在常見的電化學儲能裝置中，金屬-空氣電池（metal-air battery）是電能高效轉換和大規(guī)模儲存的重要技術方向。該電池利用空氣中的氧氣作為正極電化學反應活性物質，金屬鋰、鋅、鋁或鎂作為負極電化學反應活性物質。在電池運行過程中金屬電極發(fā)生溶解或沉積，放電產(chǎn)物溶解在堿性電解液中；空氣中的氧氣在負載電催化劑的空氣電極（bifunctional air electrode，BAE）中，進行氧還原（ORR）或氧析出（OER）電化學反應，完成電能與化學能相互轉換。在不同類型的金屬-空氣電池中，水系的鋅-空氣電池技術相對成熟，在未來的能源應用中有極大的前景。由于鋅-空氣電池的正極使用空氣中的氧氣作為活性物質，容量無限；電池比能量取決于負極容量，理論能量密度高達1086 W·h/kg，是目前鋰離子電池技術的5倍。在成本方面，鋅-空氣電池可能以更低的價格生產(chǎn)，據(jù)估計少于10 $/(kW·h)，比鋰電池低2個數(shù)量級。因此，性能優(yōu)良的可充電鋅-空氣電池在新能源發(fā)電儲能、電動汽車和便攜式電源等領域有廣闊的應用前景。
鋅-空氣電池的標準電動勢為1.65 V，實際條件下充電電壓高于此值，放電電壓低于此值。該電池的負極為鋅電極，一般由鋅粉、鋅板、鋅箔或泡沫鋅等材料組成。正極為空氣電極，一般由擴散層、集流體和催化層組成。通過優(yōu)化電極結構和催化劑的組分可以使電池性能得到明顯提高。電解液一般采用6 mol/L的KOH溶液，室溫下該濃度的電解液具有較高的電導率，且電解液中能夠溶解一定量的Zn2+。對于鋅-空氣電池來說，充放電過程中空氣電極發(fā)生的氧析出反應（OER）和氧還原反應（ORR）相對于負極鋅更難進行，O2在水中溶解度低（10-6 mol/L），在空氣電極表面吸附困難，且氧氧鍵能很大（498 kJ/mol），很難斷裂，從而造成正極動力學過程相對緩慢，相同電流密度下過電勢更大的特點，電壓損失主要來自于正極，是制約鋅-空氣電池性能的核心要素之一。為了進一步提高電池性能，開發(fā)有高活性和穩(wěn)定性的空氣電極催化劑就顯得十分必要。同時，空氣電極的反應涉及多相、多界面間的傳質，所涉及的原子、基團、部件等跨尺度問題十分復雜，合理設計空氣電極的結構，促進氣-液-固三相界面的傳質，是降低空氣電極電化學極化的重要途徑。本文主要討論空氣電極的氣體擴散結構、催化劑以及雙功能空氣電極研究進展。
文章目錄及圖文導讀
1 空氣電極內(nèi)的擴散傳質
2 空氣電極催化劑
2.1 單功能氧還原催化劑
2.1.1 氧還原過程（ORR）原理
2.1.2 氧還原催化劑
表1 一次鋅-空氣電池單功能氧還原催化劑
2.2 雙功能催化劑
圖1 鈣鈦礦結構及其氧還原活性與電子填充數(shù)關系
圖2 3DOM Co3O4的TEM圖及可充電鋅空電池充放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性
圖3 NiCo/PFC雙功能催化劑循環(huán)穩(wěn)定性結果、SEM圖及氣液固三相反應過程示意圖
表2 可充電鋅-空氣電池雙功能催化劑
3 空氣電極結構
圖4 基于混合型催化劑的三電極式電化學可充電鋅-空氣電池
4 新型雙功能空氣電極
表3 不含黏結劑的集成式空氣電極
圖5 Co4N/CNW/CC雙功能電極在電化學可充電鋅-空氣電池中的應用
圖6 Co4N/CNW/CC雙功能電極在電化學可充電鋅-空氣電池中的應用
結語
由于市場對綠色電池產(chǎn)品與新能源技術的迫切需求，國內(nèi)外已經(jīng)開展大量研究并取得顯著技術進步，其中電化學可充的鋅-空氣二次電池具有能量密度高、安全環(huán)保的特點，得到越來越多的關注?？諝怆姌O作為電池關鍵組件，是研究開發(fā)的焦點。雖然目前關于空氣電極相關的研究已經(jīng)有很多的進展，但為了進一步發(fā)展電化學可充式二次鋅-空氣電池仍需要很多的努力。因此，未來的研究仍然需要在以下幾個方向繼續(xù)努力。
（1）開發(fā)高活性、高穩(wěn)定性、價格合理的雙功能電催化劑。進一步對水系電解液條件下氧還原過程和氧析出過程的機理有更深入的理解，對催化劑的活性位點有更深入的認識，進而能夠合理設計新型的催化劑。
（2）高度結構化的空氣電極設計與制備工藝開發(fā)。現(xiàn)在的鋅-空氣電池研究與堿性燃料電池十分相似，使用碳材料為基底，如Toray碳紙等，然而碳材料在反復的充放電過程中，極易發(fā)生碳蝕現(xiàn)象。而且，空氣電極的制備過程十分繁瑣，輔助成分的添加也會產(chǎn)生一些不利的影響。催化劑與基底間作用力較弱時極易脫落，造成電池性能的衰減。因此，需要發(fā)展一些新型結構的空氣電極結構，使電池的使用周期更長。
（3）發(fā)展適合于批量化制造的三電極結構鋅-空氣電池。通過ORR和OER過程的解耦，為保持催化劑與空氣電極性能提供條件，有效提高充放電循環(huán)穩(wěn)定性。此外，電化學可充電的鋅-空氣電池在能量密度和技術經(jīng)濟方面有明顯優(yōu)勢，是未來新型電池技術的重要發(fā)展方向。
