【研究背景】
锌空气电池具有高理论能量密度、高安全性、低成本等优点，是一种极具前景的储能技术。作为一种燃料电池，锌空气电池充电过程类似于电解水反应面临严重的气泡析出问题。正极氧析出反应产生的气泡附着于电极表面，导致反应活性位点失效、电解液中离子传输受阻、电解液挤出泄露等严重危害。虽然大量的工作致力于开发高活性的非贵金属双功能催化剂，但对于电极中的气泡行为及传输机理却始终缺乏完整的理论以及解决方案。
【工作介绍】
近日，中国科学技术大学谈鹏课题组在国际能源材料领域知名期刊Energy Storage Materials上发表了题为“Boosting gaseous oxygen transport in a Zn-air battery for high-rate charging by a bubble diode-inspired air electrode ”的研究型文章。何义博士生为第一作者。论文采用“气泡二极管”策略促进锌空气电池快充过程中氧气的及时排出。以膨体聚四氟乙烯膜（ePTFE）基体作为演示，发现即使在50mA/cm2的高电流密度下充电96分钟，电极表面仍可保证洁净的“无气泡”状态，从而实现高性能的快速稳定充电。
【内容表述】
基于流体力学中取得的最新进展，我们将“气泡二极管”的概念应用于锌空气电池充电过程中，以促进气体的快速输运。以ePTFE膜基体为研究对象，原位观测和数值模拟结果显示，“气泡二极管”基空气电极充电过程中氧气泡选择性地从亲气性较差的一侧（接触角：100o）穿过电极孔进入亲气性较强的一侧（125o），而在传统的碳纸（137o到99o）和泡沫镍基电极（134o到63o）中气泡因为反向“二极管”效应吸附在电极表面。电化学质谱仪测试表明，“气泡二极管”基电池充电过程中释放出更多的氧气，尤其是在高电流下，例如30mA/cm2，分别超过泡沫镍和碳纸基电池9.2%和15.2%的析氧率。同时，拉曼光谱、X射线光电子能谱以及扫描电子显微镜测试表明，电极表面活性物质的脱落受到明显抑制。由此可知，在“气泡二极管”的作用下，氧析出反应产生的气体被及时排出电池体系，避免了气泡的附着，同时高充电氧化态对电极导致的碳腐蚀损伤也得到很好的控制。进一步数值计算结果发现，大气泡需要更高的接触角差作为驱动力穿过电极，据此绘制了气泡和接触角大小相关的气泡行为相图，用于指导电极设计。电化学测试结果显示，“气泡二极管”基锌空气电池在2.2V的截止电压下表现出94mA/cm2的高充电极限电流密度，50mA/cm2电流密度下表现出1.98V的低充电极化曲线电压，并在10mA/cm2的电流下拥有600圈的稳定长循环性能。本工作对电化学系统中气泡传输的内在机理提出了新的解释，为高性能析气电极的设计奠定了基础。
图1. “气泡二极管”概念及其在锌空气电池中的应用测试图
图2. “气泡二极管”和传统碳纸、泡沫镍基空气电极表征图
图3. “气泡二极管”和传统碳纸、泡沫镍基锌空气电池原位气体和电极表面分析测试图
图4. “气泡二极管”和传统碳纸、泡沫镍基空气电极充电前后测试表征图
图5. “气泡二极管”基空气电极设计相图
图6. “气泡二极管”和传统碳纸、泡沫镍基锌空气电池中的电化学测试图
【结论】
本工作将“气泡二极管”的概念应用于锌空气电池充电过程中以促进氧析出反应产物的高效快速输运。气泡选择性地从亲气性较差的一侧（接触角：100o）穿过电极孔进入亲气性较强的一侧（125o），避免了传统的碳纸（137o到99o）和泡沫镍基电极（134o到63o）中气泡因为反向“二极管”效应吸附在电极表面损害电极性能的问题。仿真和实验结果显示在此策略下电池充电性能大幅提升，从而为高性能析气电极的设计提供指导。同时，“气泡二极管”的概念揭示了空气电极上气体输运的内在机理，为电极润湿性设计指明了方向。
Yi He, Zhongxi Zhao, Yifan Cui, Wenxu Shang, Yongtang Chen, Peng Tan, Boosting gaseous oxygen transport in a Zn-air battery for high-rate charging by a bubble diode-inspired air electrode, Energy Storage Materials, 2023.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.030
作者简介
谈鹏 中国科学技术大学热科学和能源工程系特任教授，长期从事新型电池体系中物质传输和能量转化特性研究，包括热质传递特性、高性能电池材料开发、新型电池结构设计与优化等，入选中国科学院、安徽省和国家人才计划青年项目。近年来，主持科技部重点研发计划项目课题、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和企业技术开发项目多项，发表学术论文130余篇，引用4700余次；授权中国发明专利10项。
何义 中国科学技术大学热科学和能源工程系博士研究生，从事新型电池体系中物质传输和能量转化特性研究，包括气液两相流与电化学反应耦合特性、高性能电池结构设计与优化等。目前已发表SCI论文20篇，其中第一作者6篇；授权中国发明专利1项。
课题组（先进电源研究组）网站：
http://institution.ustc.edu.cn/AdvancedBatteryGroup/zh_CN/index.htm
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