钜大LARGE | 点击量：381次 | 2023年07月14日
韩国汉阳大学设计出新型的锌-空气袋状电池
锌空气电池（ZABs）由于其许多优势特性，是最有前途的下一代电池技术之一。最值得注意的是，这些电池具有独特的半开放结构，显著的理论能量密度（包括和不包括氧气时分别为1,086和1,370Whkg-1），灵活的电极和固有的水电解质。此外，与电池中使用的其他材料相比，锌（Zn）对环境的危害更小，而且更丰富。
韩国汉阳大学的研究人员最近设计了一种新型的锌-空气袋状电池，其性能超过了其他商业化的电池技术。在《自然-能源》杂志上发表的一篇论文中介绍的这些袋式电池，使用(101)-面状磷化铜[CPS(101)]作为阴极，抗冻壳聚糖-生物纤维素作为超离子导体电解质，以及图案化锌作为阳极。
"以前采用液体（6MKOH）电解质的ZABs失败了，因为氧还原和进化反应（ORR/OER）的动力学迟缓，以及Zn在宽温度下伴随着寄生反应的不可逆性，"进行这项研究的研究人员之一Jung-HoLee告诉TechXplore。"这一特点启发我们开发固态电解质，如功能化生物纤维素，能够有效地转移OH-离子而不发生寄生反应。"
Lee和他的同事在以前的工作中创造的基于FBN的电解质在室温下表现出64mScm-1的高离子传导率。然而，研究人员发现，由于与水冻结和体积膨胀有关的问题，它在零下和高温下不起作用。
在他们的新论文中，研究人员因此建议使用壳聚糖-细菌-纤维素（CBCs）作为阴离子交换、固态电解质。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
Lee说："我们使用的两个关键过程（TEMPO氧化和DBO季铵盐化）大大改善了电池的抗冻特性，以及它们的抗膨胀性、交联的兼容性和离子识别特性。"水也存在并在CBC内部转移，但其形式是分子水，而不是液态水。因此，我们可以获得卓越的电池性能和良好的稳定性，即使是在-20℃。
Lee和他的同事制造的基于CBC的膜电解质使用氢氧化物溶液的混合物进行了离子交换。因此，它们显示出比更多传统碱性电解质更低的pH值。研究人员制备的纳米纤维状的CPS（101）是专门为袋状电池的应用而合成的。
Lee说："由于CPS（101）的最佳化学比例是C:P:S=1:0.5:0.5，化学比例的变化对电池运行期间的电化学性能有关键影响。"磷和硫阴离子在空间上与铜阳离子的配位相同（Cu-S和Cu-P键的数量相同），在随后的循环中保持了相当稳定的短程和长程秩序结构。"
当研究人员制造的锌-空气袋电池在运行时，如果FBN膜无法形成固体电解质间相（SEI），CBCs会产生一个坚固的SEI层，这导致了卓越的循环寿命。此外，CBCs保护阳极表面免受腐蚀和副反应。与使用水电解质或其他固态电解质的电池相比，这可以促进更长的循环。
Lee说："在室温下记录的卓越的电导率（86.7mScm-1）是迄今为止报告的氢氧化物超离子导体的冠军值，它是商业A201的两倍。"一个5微米薄、900平方厘米大小的CBCs膜可以简单地铸造，即使在干燥的环境中，在-20oC的低温下也具有特殊的机械强度，而FBN、A201或聚砜则容易降解成小碎片。"
对下一代电池的一般要求是电池包级能量密度>300Whkg-1，75kWh-1美元，15分钟内的快速充电能力（至少80%的充电），以及在广泛的温度范围内运行的能力。为了满足这些要求，电池设计者必须克服一系列的限制，同时还要确保电池是安全的，电化学/机械稳定的，用地球上丰富的、易于回收的材料制造的，并在广泛的温度范围内运作良好。
过去开发的ZAB在电池层面上实现了非常低的能量密度，通常在<1mAcm-2的低电流密度下达到<40Whkgcell-1，并且只在室温下工作。这些能量密度明显低于那些被认为适合下一代电池商业化的能量密度。
Lee说："大多数报道的锌空气电池可能是按照5-10%的放电深度（DOD）进行的浅循环，这无法实现与锂离子电池竞争的电池能量。"即使以前的少数报告保留了所需的35兆瓦时cmgeo-2的面积能量，他们的循环寿命和DOD分别限制在100次以下和5-10%的DOD。要获得120Whkgcell-1的比能量，至少需要20%的DOD，然而，以前的工作没有遵循商业电池所需的这些最低标准。"
在他们的论文中，Lee和他的同事介绍了可能具有商业可行性的一安时（Ah）柔性锌空气袋电池，因为它们在宽广的温度范围内（-20至80oC）表现出超高的电池级能量密度（460Whkgcell-1和1389Whl-1），在20%DOD的6000次循环和70%DOD的1100次循环中具有5-200mAcm-2的高速率容量。这些袋装电池的性能优于许多市售的锂离子电池和其他常用的电池。
Lee说："我们的袋装电池通过优化电池参数，在电流密度为25mAcm-2的情况下，在350个循环中显示出最高的电池级能量密度为523±15Whkgcell-1（体积能量密度为~1609±35Whl-1），DOD为70%。"我们还表明，通过应用双极堆叠技术（增加堆叠的数量），在袋装电池容量为20Ah时，体积能量密度可以进一步增加到~1800WhL-1。这些数值可以使每次充电的行驶里程达到~800-900英里，在15分钟内达到100%的充电能力，以及~100万英里的里程耐久性"。
在它们被进一步测试后，新的锌空气袋电池可以被大规模地生产。据Lee和他的同事说，它们也有可能被用于为无人机、电动汽车或电动短途飞机提供动力。
"我们现在正在简化CPS（空气阴极）和CBC（固体电解质）的合成配方，以实现值得生产的扩大化，"Lee补充说。"尽管我们的ZABs通常在-20至80oC下运行，但我们也试图使运行温度范围更广。此外，我们将考虑使用铝而不是锌，以评估铝-空气电池的潜力。"
