埃迪斯科文大學(ECU)最近對可持續(xù)電池系統(tǒng)的進步進行了一項研究，鋅空氣電池已成為鋰的更好替代品。
埃迪斯科文大學 的 Muhammad Rizwan Azhar博士領導了該項目，該項目發(fā)現(xiàn)鋰離子電池雖然是世界各地電動汽車的主流選擇，但卻面臨著成本、有限資源和安全問題等限制。該工作研究發(fā)表在《EcoMat》雜志上。
Muhammad Rizwan Azhar 博士表示：“可充電鋅空氣電池(ZAB)因其成本低、環(huán)境友好、理論能量密度高和固有的安全性而變得越來越有吸引力。”
“隨著市場上下一代長續(xù)航車輛的出現(xiàn)，人們越來越需要能夠超越鋰離子電池能力的更安全、更具成本效益和高性能的電池系統(tǒng)。”
鋅空氣電池
鋅空氣電池由鋅負極和空氣正極組成。它是一種高能量密度和低成本的電池技術，具有廣泛的應用潛力。以下是對鋅空氣電池的概述：
原理：
鋅-空氣電池由鋅負極、電解液、空氣正極和隔膜分離器構成。其負極可以使用純鋅板、鋅箔、鋅合金等；電解液通常使用具有良好導電性和O2擴散系數(shù)的6mol/L的氫氧化鉀溶液；其空氣正極制備的質(zhì)量是鋅空電池的核心，通常由氣相的氣體擴散層、固相的催化劑層以及液相的集流體層構成一個三相界面。隔膜分離器不僅要求其密封性較高避免發(fā)生漏液現(xiàn)象，又要保證催化劑層與空氣接觸良好便于反應進行。
鋅空氣電池原理圖
（圖源：趙璐，《鋅-空氣電池電化學反應模型及枝晶生長抑制研究》）
鋅-空氣電池在放電過程中，電池負極的鋅在電解液中被氧化，形成游離的鋅酸鹽離子（Zn(OH)42-），并向外電路釋放電子，當達到飽和狀態(tài)后，Zn(OH)42-離子逐漸生成難溶于水的ZnO；在電池正極的三相界面處，空氣中的O2接受來自負極的電子，在催化劑層上發(fā)生還原反應變成OH-，用于補充負極消耗的OH-來保持電化學平衡。而充電過程是放電的逆反應過程，即Zn(OH)42-得到電子在陽極被還原恢復成Zn，同時陰極則是OH-失去電子并實現(xiàn)O2的脫附。
優(yōu)勢：
①高能量密度：鋅空氣電池具有較高的能量密度，可以提供長時間的持續(xù)電力輸出。
②低成本：相對于其他電池技術，鋅空氣電池的成本較低，主要是由于其使用的材料鋅和空氣都是廣泛且廉價的資源。
③環(huán)保：鋅空氣電池的正極材料是空氣中的氧氣，不需要使用稀有金屬或有毒物質(zhì)，對環(huán)境友好。
④可充性：鋅空氣電池可以通過反向電化學反應進行充電，使其可重復使用。
發(fā)展歷程
鋅空氣電池的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀60年代。以下是鋅空氣電池的主要發(fā)展里程碑：
1960年代：早期研究
20世紀60年代初，科學家開始對鋅空氣電池進行研究，并探索其在電池技術中的潛力。
1967年，美國國家航空航天局（NASA）開始研究鋅空氣電池，用于航天器和宇航員的應用。
1970年代：商業(yè)化嘗試
1972年，Eveready Battery Company（現(xiàn)在的埃尼瓦爾特能源公司）推出了第一款商業(yè)化的鋅空氣電池。
然而，由于當時技術限制和市場需求不高，鋅空氣電池并沒有取得廣泛的商業(yè)成功。
1990年代：技術改進
1990年代，隨著電子設備的普及和對高能量密度電池的需求增加，鋅空氣電池再次引起了人們的關注。
科學家們開始改進鋅空氣電池的設計和性能，以提高其能量密度、循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。
2000年代：商業(yè)應用擴展
2000年代，鋅空氣電池開始在一些特定領域得到商業(yè)應用，如便攜式電子設備和醫(yī)療器械等。
一些公司開始推出鋅空氣電池產(chǎn)品，并進行市場推廣。
當前和未來：持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新
目前，鋅空氣電池仍在不斷發(fā)展和改進中，以提高其性能和商業(yè)化應用的范圍。
科學家們致力于解決鋅負極溶解和析出、充放電效率、循環(huán)壽命和安全性等方面的挑戰(zhàn)。
隨著技術的進步和市場需求的增加，鋅空氣電池有望在未來實現(xiàn)更廣泛的商業(yè)化應用，如電動車輛和儲能系統(tǒng)等。
總體而言，鋅空氣電池經(jīng)歷了多年的研究和改進，目前正處于商業(yè)化的階段，但仍面臨一些技術和市場挑戰(zhàn)。隨著技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，鋅空氣電池有望在未來實現(xiàn)更廣泛的商業(yè)化應用。
研發(fā)新進展
迄今為止，其主要缺點是由于空氣電極性能差和壽命短而導致功率輸出有限。
圖片來源：EcoMat (2023)。DOI：10.1002/eom2.12394
埃迪斯科文大學 的突破使工程師能夠使用碳、鐵和鈷基礦物等新材料的組合來重新設計鋅空氣電池。
圖片來源：Pixabay/CC0 Public Domain
“新設計非常高效，它抑制了電池的內(nèi)阻，并且電池電壓接近理論電壓，從而實現(xiàn)了高峰值功率密度和超長穩(wěn)定性，”Azhar博士說。
“除了徹底改變儲能行業(yè)之外，這一突破還為建設可持續(xù)發(fā)展的社會、減少我們對化石燃料的依賴以及減輕環(huán)境影響做出了重大貢獻。”
“通過使用澳大利亞的鋅和空氣等自然資源，這進一步提高了這些創(chuàng)新鋅空氣電池未來的成本效益和可行性。”
可靠性
Azhar博士表示，雖然太陽能、風能和水能等可再生資源在綠色能源的未來中發(fā)揮著關鍵作用，但它們并不是完全可靠的解決方案，因為它們是間歇性能源。
“由于澳大利亞等國家有豐富的鋅資源，而且空氣無處不在，這成為一種高度可行且可靠的儲能解決方案，”阿扎爾博士解釋道。
埃迪斯科文大學對鋅空氣電池的重新設計使澳大利亞更接近實現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標和《巴黎協(xié)定》設定的目標，該協(xié)定于2015年底制定，旨在強調(diào)需要可持續(xù)能源來限制氣候變化。
【1】Yasir Arafat et al, CoNiFe‐layered double hydroxide decorated Co‐N‐C network as a robust bi‐functional oxygen electrocatalyst for zinc‐air batteries, EcoMat (2023). DOI: 10.1002/eom2.12394
【2】鋅空氣電池簡介， 見微知著hot ，2023-07-19。
【3】金屬-空氣電池，新能源技術與企管\程冰蕾，2022-08-14
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