二次锌-空气电池锌阳极研究新进展
发布时间：2020-12-25 02:25
锌-空气电池具有高的理论能量密度（1086W?h/kg）、高安全性和低成本等优点,在电动汽车和便携式电子设备等应用中有望成为储能设备的候选,因此受到了广泛关注。锌阳极作为锌-空气电池的核心部位,目前面临诸多挑战:如枝晶生长、形变、钝化、析氢腐蚀等,限制了二次锌-空气电池的进一步发展和商业化,如何解决锌阳极存在的这些问题成为发展锌-空气电池的研究热点。当前,发展锌-空气电池的关键是开发设计具有良好可逆性和长循环寿命的锌阳极材料,研究重点主要在于阳极添加剂、合金化、包覆及混合电池等。本文主要综述了最近几年关于锌基电池锌阳极研究的一些突破和最新进展,这些信息可应用于二次锌-空气电池。
【文章来源】：中国有色金属学报. 2020年08期 北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
可充放电锌-空气电池结构示意图[10]
枝晶的形成主要是由锌的不均匀沉积引起，而锌阳极表面不均匀的Zn(OH)42-浓度分布是造成该现象的原因之一。在理想情况下，Zn(OH)42-均匀地分布在整个锌阳极表面，然而在实际情况中，锌阳极表面附近的Zn(OH)42-由于电渗压力、重力等因素引起的自然对流而迁移[10]，导致其在锌阳极表面的分布极不均匀，沉积后的锌阳极表面将会凹凸不平。在接下来的循环中，电解质中的Zn(OH)42-会优先沉积在锌阳极的凸面，因为靠近锌阳极的突起表面处具有更高的Zn(OH)42-浓度[12]。随着不断地充放电循环，枝晶会不断生长延伸，最后脱落成为死锌，甚至可能刺穿隔膜导致电池短路。锌阳极的形变是由放电产物锌酸盐不能有效沉积为氧化锌所致。由于锌酸盐在碱性溶液中具有较高的溶解度，锌阳极发生反应(1)后往往不经过反应(2)就直接进入到电解质溶液中，充电时，锌酸盐并不会在原来的位置沉积为锌，而是在重力或电渗压力的影响下反复沉积在锌阳极的凸面，经过多次充放电循环后，电极就会发生形变，造成容量衰减。
最近，一种新型核壳结构的阳极引起了研究者的广泛兴趣[67-69]，该结构结合了表面包覆和原位掺杂两种方法的优势。YANG等[67]通过溶剂热法合成了核壳结构阳极材料Zn O@Bi/C，该材料的结构和电化学性质如图5所示，铋的掺杂和碳的包覆大大提高了Zn O阳极电导率和活性物质的利用率，该阳极的电荷转移阻抗(Rct)仅为3.18Ω(纯Zn O阳极Rct高达12.22Ω)，体现了其高电化学反应活性。此外，Zn O@Bi/C阳极经过180次充放电循环其比容量几乎没有衰减，且库伦效率高达92.4%(纯Zn O阳极为73.3%)，这是掺杂和包覆相互协同的结果。FU等[68]合成了Zn O@C-Zn Al LDHs核壳结构阳极材料，发现以1C倍率充放电循环400次后，该阳极容量保持率高达81.6%，而纯Zn O阳极以1C倍率充放电循环200次后，其容量保持率仅为46.3%。在Zn O@C-Zn Al LDHs核壳结构阳极中，原位掺杂的碳具有较高的电导率，有利于高电流密度下电荷的快速传输，包覆的Zn-Al LDHs结构可以为锌的沉积提供基质，改善了锌阳极在循环过程中的“溶解-沉积”过程。上述研究表明，大多数包覆物都能防止活性物质锌与电解液直接接触，从而改善电池的循环性能，一些具有导电性的包覆物(金属氧化物和碳材料等包覆物)还能提高电池的库伦效率，将原位掺杂和包覆相结合的核壳结构在改善电池综合性能上具有更好的效果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锌空气电池研究进展[J]. 翁晓琳,刘佩佩,刘江,刘美林. 电源技术. 2019(04)
[2]导电剂对锌空气电池锌电极性能的影响[J]. 史竞成,赵芳霞,孙鲁滨,何伟,张振忠. 电池工业. 2018(05)
[3]多孔锌电极应用于PVA电解液的锌空气电池[J]. 陆旭明,徐少辉,谭强,王连卫,邢涛. 电源技术. 2016(12)
[4]锌空气电池关键问题与发展趋势[J]. 洪为臣,马洪运,赵宏博,王保国. 化工进展. 2016(06)
[5]石墨烯在锂离子电池材料性能优化中的应用[J]. 曹亮,王安安,艾立华,贾明,刘业翔. 中国有色金属学报. 2016(04)
[6]锌空气电池锌负极研究进展[J]. 洪为臣,雷青,马洪运,王保国. 化工进展. 2016(02)
本文编号：2936770
【文章来源】：中国有色金属学报. 2020年08期 北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
可充放电锌-空气电池结构示意图[10]
枝晶的形成主要是由锌的不均匀沉积引起，而锌阳极表面不均匀的Zn(OH)42-浓度分布是造成该现象的原因之一。在理想情况下，Zn(OH)42-均匀地分布在整个锌阳极表面，然而在实际情况中，锌阳极表面附近的Zn(OH)42-由于电渗压力、重力等因素引起的自然对流而迁移[10]，导致其在锌阳极表面的分布极不均匀，沉积后的锌阳极表面将会凹凸不平。在接下来的循环中，电解质中的Zn(OH)42-会优先沉积在锌阳极的凸面，因为靠近锌阳极的突起表面处具有更高的Zn(OH)42-浓度[12]。随着不断地充放电循环，枝晶会不断生长延伸，最后脱落成为死锌，甚至可能刺穿隔膜导致电池短路。锌阳极的形变是由放电产物锌酸盐不能有效沉积为氧化锌所致。由于锌酸盐在碱性溶液中具有较高的溶解度，锌阳极发生反应(1)后往往不经过反应(2)就直接进入到电解质溶液中，充电时，锌酸盐并不会在原来的位置沉积为锌，而是在重力或电渗压力的影响下反复沉积在锌阳极的凸面，经过多次充放电循环后，电极就会发生形变，造成容量衰减。
最近，一种新型核壳结构的阳极引起了研究者的广泛兴趣[67-69]，该结构结合了表面包覆和原位掺杂两种方法的优势。YANG等[67]通过溶剂热法合成了核壳结构阳极材料Zn O@Bi/C，该材料的结构和电化学性质如图5所示，铋的掺杂和碳的包覆大大提高了Zn O阳极电导率和活性物质的利用率，该阳极的电荷转移阻抗(Rct)仅为3.18Ω(纯Zn O阳极Rct高达12.22Ω)，体现了其高电化学反应活性。此外，Zn O@Bi/C阳极经过180次充放电循环其比容量几乎没有衰减，且库伦效率高达92.4%(纯Zn O阳极为73.3%)，这是掺杂和包覆相互协同的结果。FU等[68]合成了Zn O@C-Zn Al LDHs核壳结构阳极材料，发现以1C倍率充放电循环400次后，该阳极容量保持率高达81.6%，而纯Zn O阳极以1C倍率充放电循环200次后，其容量保持率仅为46.3%。在Zn O@C-Zn Al LDHs核壳结构阳极中，原位掺杂的碳具有较高的电导率，有利于高电流密度下电荷的快速传输，包覆的Zn-Al LDHs结构可以为锌的沉积提供基质，改善了锌阳极在循环过程中的“溶解-沉积”过程。上述研究表明，大多数包覆物都能防止活性物质锌与电解液直接接触，从而改善电池的循环性能，一些具有导电性的包覆物(金属氧化物和碳材料等包覆物)还能提高电池的库伦效率，将原位掺杂和包覆相结合的核壳结构在改善电池综合性能上具有更好的效果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锌空气电池研究进展[J]. 翁晓琳,刘佩佩,刘江,刘美林. 电源技术. 2019(04)
[2]导电剂对锌空气电池锌电极性能的影响[J]. 史竞成,赵芳霞,孙鲁滨,何伟,张振忠. 电池工业. 2018(05)
[3]多孔锌电极应用于PVA电解液的锌空气电池[J]. 陆旭明,徐少辉,谭强,王连卫,邢涛. 电源技术. 2016(12)
[4]锌空气电池关键问题与发展趋势[J]. 洪为臣,马洪运,赵宏博,王保国. 化工进展. 2016(06)
[5]石墨烯在锂离子电池材料性能优化中的应用[J]. 曹亮,王安安,艾立华,贾明,刘业翔. 中国有色金属学报. 2016(04)
[6]锌空气电池锌负极研究进展[J]. 洪为臣,雷青,马洪运,王保国. 化工进展. 2016(02)
本文编号：2936770
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