鋅空氣電池（ZABs）由于其許多優(yōu)勢(shì)特性，是最有前途的下一代電池技術(shù)之一。最值得注意的是，這些電池具有獨(dú)特的半開(kāi)放結(jié)構(gòu)，顯著的理論能量密度（包括和不包括氧氣時(shí)分別為1,086和1,370Whkg-1），靈活的電極和固有的水電解質(zhì)。此外，與電池中使用的其他材料相比，鋅（Zn）對(duì)環(huán)境的危害更小，而且更豐富。

韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的研究人員最近設(shè)計(jì)了一種新型的鋅-空氣袋狀電池，其性能超過(guò)了其他商業(yè)化的電池技術(shù)。在《自然-能源》雜志上發(fā)表的一篇論文中介紹的這些袋式電池，使用(101)-面狀磷化銅[CPS(101)]作為陰極，抗凍殼聚糖-生物纖維素作為超離子導(dǎo)體電解質(zhì)，以及圖案化鋅作為陽(yáng)極。

"以前采用液體（6MKOH）電解質(zhì)的ZABs失敗了，因?yàn)檠踹€原和進(jìn)化反應(yīng)（ORR/OER）的動(dòng)力學(xué)遲緩，以及Zn在寬溫度下伴隨著寄生反應(yīng)的不可逆性，"進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一Jung-HoLee告訴TechXplore。"這一特點(diǎn)啟發(fā)我們開(kāi)發(fā)固態(tài)電解質(zhì)，如功能化生物纖維素，能夠有效地轉(zhuǎn)移OH-離子而不發(fā)生寄生反應(yīng)。"

Lee和他的同事在以前的工作中創(chuàng)造的基于FBN的電解質(zhì)在室溫下表現(xiàn)出64mScm-1的高離子傳導(dǎo)率。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于與水凍結(jié)和體積膨脹有關(guān)的問(wèn)題，它在零下和高溫下不起作用。

在他們的新論文中，研究人員因此建議使用殼聚糖-細(xì)菌-纖維素（CBCs）作為陰離子交換、固態(tài)電解質(zhì)。

Lee說(shuō)："我們使用的兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程（TEMPO氧化和DBO季銨鹽化）大大改善了電池的抗凍特性，以及它們的抗膨脹性、交聯(lián)的兼容性和離子識(shí)別特性。"水也存在并在CBC內(nèi)部轉(zhuǎn)移，但其形式是分子水，而不是液態(tài)水。因此，我們可以獲得卓越的電池性能和良好的穩(wěn)定性，即使是在-20℃。

Lee和他的同事制造的基于CBC的膜電解質(zhì)使用氫氧化物溶液的混合物進(jìn)行了離子交換。因此，它們顯示出比更多傳統(tǒng)堿性電解質(zhì)更低的pH值。研究人員制備的納米纖維狀的CPS（101）是專(zhuān)門(mén)為袋狀電池的應(yīng)用而合成的。

Lee說(shuō)："由于CPS（101）的最佳化學(xué)比例是C:P:S=1:0.5:0.5，化學(xué)比例的變化對(duì)電池運(yùn)行期間的電化學(xué)性能有關(guān)鍵影響。"磷和硫陰離子在空間上與銅陽(yáng)離子的配位相同（Cu-S和Cu-P鍵的數(shù)量相同），在隨后的循環(huán)中保持了相當(dāng)穩(wěn)定的短程和長(zhǎng)程秩序結(jié)構(gòu)。"

當(dāng)研究人員制造的鋅-空氣袋電池在運(yùn)行時(shí)，如果FBN膜無(wú)法形成固體電解質(zhì)間相（SEI），CBCs會(huì)產(chǎn)生一個(gè)堅(jiān)固的SEI層，這導(dǎo)致了卓越的循環(huán)壽命。此外，CBCs保護(hù)陽(yáng)極表面免受腐蝕和副反應(yīng)。與使用水電解質(zhì)或其他固態(tài)電解質(zhì)的電池相比，這可以促進(jìn)更長(zhǎng)的循環(huán)。

Lee說(shuō)："在室溫下記錄的卓越的電導(dǎo)率（86.7mScm-1）是迄今為止報(bào)告的氫氧化物超離子導(dǎo)體的冠軍值，它是商業(yè)A201的兩倍。"一個(gè)5微米薄、900平方厘米大小的CBCs膜可以簡(jiǎn)單地鑄造，即使在干燥的環(huán)境中，在-20oC的低溫下也具有特殊的機(jī)械強(qiáng)度，而FBN、A201或聚砜則容易降解成小碎片。"

對(duì)下一代電池的一般要求是電池包級(jí)能量密度>300Whkg-1，75kWh-1美元，15分鐘內(nèi)的快速充電能力（至少80%的充電），以及在廣泛的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的能力。為了滿(mǎn)足這些要求，電池設(shè)計(jì)者必須克服一系列的限制，同時(shí)還要確保電池是安全的，電化學(xué)/機(jī)械穩(wěn)定的，用地球上豐富的、易于回收的材料制造的，并在廣泛的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作良好。

過(guò)去開(kāi)發(fā)的ZAB在電池層面上實(shí)現(xiàn)了非常低的能量密度，通常在<1mAcm-2的低電流密度下達(dá)到<40Whkgcell-1，并且只在室溫下工作。這些能量密度明顯低于那些被認(rèn)為適合下一代電池商業(yè)化的能量密度。

Lee說(shuō)："大多數(shù)報(bào)道的鋅空氣電池可能是按照5-10%的放電深度（DOD）進(jìn)行的淺循環(huán)，這無(wú)法實(shí)現(xiàn)與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)的電池能量。"即使以前的少數(shù)報(bào)告保留了所需的35兆瓦時(shí)cmgeo-2的面積能量，他們的循環(huán)壽命和DOD分別限制在100次以下和5-10%的DOD。要獲得120Whkgcell-1的比能量，至少需要20%的DOD，然而，以前的工作沒(méi)有遵循商業(yè)電池所需的這些最低標(biāo)準(zhǔn)。"

在他們的論文中，Lee和他的同事介紹了可能具有商業(yè)可行性的一安時(shí)（Ah）柔性鋅空氣袋電池，因?yàn)樗鼈冊(cè)趯拸V的溫度范圍內(nèi)（-20至80oC）表現(xiàn)出超高的電池級(jí)能量密度（460Whkgcell-1和1389Whl-1），在20%DOD的6000次循環(huán)和70%DOD的1100次循環(huán)中具有5-200mAcm-2的高速率容量。這些袋裝電池的性能優(yōu)于許多市售的鋰離子電池和其他常用的電池。

Lee說(shuō)："我們的袋裝電池通過(guò)優(yōu)化電池參數(shù)，在電流密度為25mAcm-2的情況下，在350個(gè)循環(huán)中顯示出最高的電池級(jí)能量密度為523±15Whkgcell-1（體積能量密度為~1609±35Whl-1），DOD為70%。"我們還表明，通過(guò)應(yīng)用雙極堆疊技術(shù)（增加堆疊的數(shù)量），在袋裝電池容量為20Ah時(shí)，體積能量密度可以進(jìn)一步增加到~1800WhL-1。這些數(shù)值可以使每次充電的行駛里程達(dá)到~800-900英里，在15分鐘內(nèi)達(dá)到100%的充電能力，以及~100萬(wàn)英里的里程耐久性"。

在它們被進(jìn)一步測(cè)試后，新的鋅空氣袋電池可以被大規(guī)模地生產(chǎn)。據(jù)Lee和他的同事說(shuō)，它們也有可能被用于為無(wú)人機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)或電動(dòng)短途飛機(jī)提供動(dòng)力。

"我們現(xiàn)在正在簡(jiǎn)化CPS（空氣陰極）和CBC（固體電解質(zhì)）的合成配方，以實(shí)現(xiàn)值得生產(chǎn)的擴(kuò)大化，"Lee補(bǔ)充說(shuō)。"盡管我們的ZABs通常在-20至80oC下運(yùn)行，但我們也試圖使運(yùn)行溫度范圍更廣。此外，我們將考慮使用鋁而不是鋅，以評(píng)估鋁-空氣電池的潛力。"