锌空气电池中电催化剂与电池结构设计研究进展

2019年9月第43卷第5期

安徽大学学报(自然科学版)

J o u r n a l o fA n h u i U n i v e r s i t y (

N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )S e p

t e m b e r 2019V o l .43N o .5

d o i :10.3969/j

.i s s n .1000-2162.2019.05.001收稿日期:2019-05-27

基金项目:国家自然科学基金资助项目(11374013,51672001);安徽省杰出青年基金资助项目(1808085J 10);安徽省对外科技合作基金资助项目(1704e 1002209

)作者简介:吴明在(1979-),男,安徽颍上人,安徽大学教授,博士生导师,博士,E -m a i l :w u m z @a h u .e d u .c n .

锌空气电池中电催化剂与电池结构设计研究进展

吴明在,吴玉东,曹志钱,蒋童童,胡海波

(安徽大学物理与材料科学学院,安徽合肥230601

)摘 要:锌空气电池(Z A B s )的理论能量密度高达1086W h ㊃k g

-1,具有原料丰富㊁环境友好㊁成本低及安全性高等优点.该文介绍锌空气电池的基本原理㊁关键问题㊁研究进展及面临的挑战,围绕锌空气电池的组成部分详细讨论,主要内容包括空气阴极双功能电催化剂和电池结构设计.最后,以锌空气电池的应用为目标,展望其未来的应用前景.

关键词:锌空气电池;氧还原反应;氧析出反应;电催化剂;电池结构

中图分类号:T Q 15 文献标志码:A 文章编号:1000-2162(2019)05-0001-10

P r o g r e s s o n t h e d e s i g n o f e l e c t r o c a t a l y s t s a n d b a t t e r y

c o n f i g u r a t i o n f o r r e c h a r g

e a b l e Z n -a i r b a t t e r i e s WU M i n g z a i ,WU Y u d o n g ,C A OZ h i q i a n ,J I A N GT o n g t o n g

,H U H a i b o (S c h o o l o f P h y s i c s a n dM a t e r i a l S c i e n c e ,A n h u i U n i v e r s i t y

,H e f e i 230601,C h i n a )A b s t r a c t :Z n -a i r b a t t e r i e s (Z A B s )h a v e a t h e o r e t i c a l e n e r g y d e n s i t y o f u p t o 1086W h ㊃k g

-1,t h e a d v a n t a g e s o f a b u n d a n t r a w m a t e r i a l s ,f r i e n d l y e n v i r o n m e n t ,l o wc o s t a n dh i g h s a f e t y

.T h e b a s i c p r i n c i p l e ,k e yp r o b l e m s ,r e s e a r c h p r o g r e s s a n d c h a l l e n g e s o f Z n -a i r b a t t e r y w

e r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r .T h e c o m p o n e n t s o

f t h e Z A B s w e r e d i s c u s s e d i n d e t a i l ,i n c l u d i n g

t h e d e s i g n o f b i f u n c t i o n a l e l e c t r o c a t a l y s t o f t h e a i r e l e c t r o d e a n d t h e b a t t e r y s t r u c t u r e .F i n a l l y

,w i t h t h e a i mo f t h e a p p l i c a t i o n o f Z A B s ,w e a n a l y z e d t h e i r f u t u r e a p p l i c a t i o n p r o s p

e c t s .K e y

w o r d s :Z n -a i r b a t t e r i e s ;o x y g e n r e d u c t i o n r e a c t i o n ;o x y g e n e v o l u t i o n r e a c t i o n ;e l e c t r o c a t a l y s t ;b a t t e r y s t r u c t u r e 随着传统化石能源的不断减少和环境问题的日益严重,绿色㊁可持续能源的开发受到越来越多的关

注.科研人员已研制出一系列能源存储和转换器件,如锂离子电池㊁超级电容器㊁燃料电池㊁金属空气电

池等[1-3],其中金属空气电池具有低成本㊁高环保㊁安全性好㊁资源丰富㊁能量密度高等优势,有望成为清

洁㊁持续的能源[4-6].金属空气电池的阳极材料通常为锌(Z n )㊁锂(L i )㊁铝(A l )等,其中锌储量丰富㊁成本低.锌空气电池(Z A B s )有高达1086W h ㊃k g

-1的理论能量密度,大约为目前锂离子电池的5倍[7-8],电池以空气中的氧气作为正极电化学反应物质,金属锌作为负极电化学反应物质[9-10

].

空气阴极催化剂可加快氧还原反应(O R R )和氧析出反应(O E R ),且在维持O H 与O 2的浓度平衡㊁

电池可逆性方面起重