Advanced Materials:可充电锌空气电池电解质材料设计

可充电锌空气电池因其具有高理论能量密度,低成本和环境友好等优势,在未来电动汽车,电网规模储能和便携式电子设备等领域具有广阔且重要的应用前景。锌空气电池 是一项具有百年发展历史的电池技术,于 1868 年被发现,自1930年代以来,一次锌空气电池已在助听器、铁路信号、交通信号灯等实现商业化应用。为了满足更广泛的应用场景和环境友好性,发展可充电锌空气电池具有重要意义。然而,由于电解质材料与锌阳极和空气阴极之间相互作用,开发高性能可充电锌空气电池仍面临巨大挑战。

天津大学钟澄课题组介绍了应用于可充电锌空气电池的电解质材料的基本性质和其面临的挑战,其次分析和讨论了近年来电解质材料发展取得的最新进展,包括水系碱性电解质、水系非碱性电解质、离子液体和半固态电解质等多种体系,最后展望了高性能电解质材料设计的未来方向,以促进可充电锌空气电池的发展。

电解质作为离子传输的媒介,是可充电锌空气电池的核心组成之一,在充放电过程中起着重要作用,对锌空气电池的可充电性、工作电压、循环寿命、功率密度和安全性等具有重要影响。理想的电解质材料应具有以下特性:(1)高离子电导率;(2)较低的自放电和电子电导率;(3)电极-电解质界面处良好的电子传输特性;(4)良好的热和机械稳定性;(5)高化学和电化学稳定性;(6)低成本和环境友好性;(7)易于电池封装。然而,在实际应用中,很难获得满足上述所有特性的电解质材料,与电解质材料的本身特性和可充电锌空气电池应用场景等密切相关。通常,可充电锌空气电池电解质材料可以分为液态和半固态两类,其中水系电解质体系受到广泛应用,尤其是碱性水系电解质,因其高离子电导率,低粘度,低成本及电极快速反应动力学等优势是常用的电解质体系。然而,采用碱性水系电解质的锌空气电池在应用过程中由于锌电极和电解质之间的相互作用,会发生锌电极腐蚀,析氢反应,枝晶生长和电极变形等现象,导致了电池性能的衰减。此外,由于锌空气电池的半开放环境,碱性电解质会与空气中的二氧化碳反应,降低了电解质的离子电导率。因此,近年来,非碱性电解质,包括中性电解质和酸性电解质以及离子液体等多种新型电解质体系被发展,以减少碱性电解质中面临的电极腐蚀和电解质碳酸盐化等问题。此外,为了适应柔性和便携式电子器件发展的需求,研究学者开发了半固态电解质以实现电池的柔性设计并避免电解质漏液问题。

图一 (a)可充电锌空气电池发展面临的挑战;(b)锌和氧气反应的电位-pH图;(c)基于碱性电解质,非碱性电解质,双电解质体系,离子液体的可充电锌空气电池反应机制图
图二 可充电锌空气电池电解质材料示意图

尽管近年来在适用于可充电锌空气电池的电解质材料的开发方面取得了长足的进步,但仍然面临诸多挑战。迄今为止,关于可充电锌空气电池的研究主要关注于空气催化剂和锌阳极的,电解质材料的设计方面的研究较少。本文主要关注可充电锌空气电池电解质材料面临的挑战和取得的进展,对典型的水系碱性电解质进行了深入介绍,包括其基本特性和与电极材料之间的相互作用等,随后对新型电解质体系进行了分析,包括非碱性电解质和半固态电解质,为改善目前可充电锌空气电池发展的电解质设计策略提供借鉴。最后,本文分析了未来可充电锌空气电池电解质材料的发展方向,以促进可充电锌空气电池的发展。

论文信息:

Mapping the Design of Electrolyte Materials for Electrically Rechargeable ZincAir Batteries

Xiaorui Liu, Xiayue Fan, Bin Liu, Jia Ding, Yida Deng, Xiaopeng Han, Cheng Zhong*, Wenbin Hu

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202006461

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006461